閥門電動裝置蝸桿副傳動質量研究
針對閥門電動裝置蝸桿副傳動效率低的問題，分析了影響蝸輪蝸桿傳動質量的主要原因，介紹了蝸輪齒面嚙合區(qū)的特征，提出了利用最佳嚙合圖制造“人工油涵”、合理設計幾何參數(shù)、正確使用潤滑方式和科學選擇蝸輪蝸桿的配對材料等方法提高閥門電動裝置蝸桿副的傳動質量。
一、前言
閥門電動裝置的主傳動機構一般為齒輪類減速機構。蝸桿副因具備傳動比大、承載能力強、結構緊湊、工作平穩(wěn)及噪聲較低等優(yōu)點，在閥門電動裝置上得到廣泛應用。此外，當蝸桿螺旋角小于當量摩擦角時，蝸桿副具有自鎖性，能實現(xiàn)對閥門的自鎖功能。
與國際著名閥門電動裝置廠家(如德國Auma、英國Rotork、美國Limitork等)相比，目前國內大多數(shù)廠家的設計和制造水平相對落后，閥門電動裝置中的蝸桿副傳動質量相對較差，同傳動比情況下傳動效率要低5%～15%，導致國內閥門電動裝置的體積偏大、電動機功率偏高，嚴重影響了國內產(chǎn)品的市場競爭力。
二、研究與分析
1. 影響傳動質量的原因
圓柱蝸桿傳動質量的綜合指標是承載能力(或使用壽命)和傳動效率。蝸桿傳動主要失效形式是油的溫升過高及由此而引起的各種蝸輪表面失效。實踐證明，影響油的溫升過高的主要因素是共軛齒面間接觸應力大小和摩擦因數(shù)的大小，而以摩擦因數(shù)大小起主導作用。此外，真空技術網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)認為蝸桿副的傳動質量在一定程度上還受到載荷性質、材料配對、熱處理、潤滑油及潤滑方式的影響。
2. 蝸輪齒面嚙合區(qū)特征分析
蝸輪是蝸桿傳動中的易損件，研究蝸輪嚙合區(qū)域的嚙合特征是非常必要的。根據(jù)蝸輪蝸桿嚙合時接觸位置分布情況，蝸輪齒面劃分為如圖1所示的4個區(qū)域：Ⅰ區(qū)為嚙出側區(qū);Ⅱ區(qū)為中央?yún)^(qū);Ⅲ區(qū)為嚙入側區(qū);Ⅳ區(qū)為節(jié)線附近區(qū)。各嚙合區(qū)的嚙合特征見表1。
圖1 嚙合區(qū)域劃分示意
表1 蝸輪嚙合區(qū)嚙合特性
三、提高傳動質量的方法和途徑
1. 最佳嚙合圖法
根據(jù)表1分析可知，Ⅰ、Ⅱ區(qū)嚙合特性良好，設計和制造時應充分利用。為此，提出如下兩種最佳嚙合方式(見圖2)。
圖2 最佳嚙合方式
(1)最佳嚙合方式a 此種方法的嚙合區(qū)位于Ⅰ區(qū)偏齒頂處，占整個嚙合區(qū)的25%～30%，特點是在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ形成“人工油涵”， 可避開“危險區(qū)”， 減少載荷集中。實現(xiàn)此方法有兩種途徑：
1)調整蝸輪軸向位置，當蝸桿副工作一段時間后，需要再調整;注意加載后，嚙合斑點要向出口移動;入口側形成油涵(見圖3)。
圖3 調整蝸輪法示意
2 ) 移動刀架位置，用對偶范成法加工蝸輪，再按圖示方法移動刀具，將入口處金屬多切去一塊Δx=0.3～0.6mm，可使入口處形成“人工油涵”(見圖4)。(續(xù))
圖4 移動刀架位置法示意
(2)最佳嚙合方式b 此時嚙合區(qū)位于蝸輪齒頂占整個嚙合區(qū)的30%～40%, 特點是在Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ形成“人工油涵”, 避開了大部分“危險區(qū)”和主要的點蝕“弱區(qū)”，動壓潤滑條件良好。
實現(xiàn)最佳嚙合方式b的方法：通過修正齒形角(見圖5)來實現(xiàn)。蝸桿齒形角為α ，滾刀齒形角為α 0，取α 0=α -Δα 0，這樣可以把蝸輪齒根多切去一層金屬，齒頂少切去一層金屬以實現(xiàn)“最佳”嚙合方式b。
圖5 修正齒形角示意
2. 合理設計幾何參數(shù)
對圓柱蝸桿傳動質量有明顯影響的幾何參數(shù)是變位系數(shù)和蝸桿頭數(shù)。
(1)變位系數(shù)的選擇 為了改善圓柱蝸桿傳動的嚙合特性及提高傳動質量，動力蝸桿傳動多采用徑向變位。徑向變位系數(shù)X2的選擇要受蝸輪輪齒的根切和齒頂變尖因素限制。美國E.I.Radzimovsy等人，對齒輪傳動的摩擦因數(shù)進行了研究，指出在“漸近”和“漸遠”嚙合部分的平均摩擦因數(shù)分別為f近=0.11，f遠=0.05。如果使蝸桿嚙合位置接近于蝸桿的根徑(即負變位)，將擴大“漸遠嚙合”的范圍，縮短“漸近合”的范圍，此時Ω角較大，也有利于油膜形成。
(2)合理選擇蝸桿頭數(shù) 當傳動比、中心距給定時，改變蝸桿頭數(shù)必然要改變蝸桿模數(shù)及蝸輪齒數(shù)。經(jīng)分析蝸桿采用多頭數(shù)、多齒數(shù)、大直徑d1是良好的設計方案，特別對于圓弧齒蝸桿傳動，更加明顯(見圖6)。
圖6 兩種形式螺桿傳動曲線
3. 正確選擇潤滑方式
蝸桿蝸輪傳動時滑動速度大、發(fā)熱量高，易于發(fā)生磨粒磨損、膠合等失效形式，潤滑方式對其傳動質量影響較大。選用潤滑方式時，可根據(jù)相對速度、中心距、工作條件、載荷性質及蝸桿副材料等進行選擇，見表2。此外油池潤滑時，采用蝸桿下置形式，油面可以在一個齒高到蝸桿中心線的范圍內變化，速度高，油面應該低些，否則攪油損失增大。一般情況下，油量以大些為好，這可使供油量充足沉淀磨屑，冷卻散熱。
表2 根據(jù)相對速度選擇潤滑油
二、科學選擇材料和工藝
1. 蝸輪、蝸桿的材料選擇
蝸桿材料應選擇硬度高、剛性好的材料，同時也要具有良好的切削和磨削工藝性能。蝸輪則要選擇耐磨和減磨性能好的材料。蝸輪、蝸桿常用材料見表3。
表3 蝸輪、蝸桿常用配對材料
2. 蝸輪、蝸桿常用的熱處理工藝
蝸輪材料多用軟齒面，常用的熱處理工藝有回火處理及時效處理。蝸桿熱處理工藝要根據(jù)齒面硬度、表面粗糙度、變形大小的要求來選擇，常用熱處理工藝有調質、淬火，滲碳和滲氮處理等。熱處理工件硬層的厚度及其分布十分重要，一般蝸桿頂部硬層可薄些，工作齒面硬層要厚些，另外要實現(xiàn)輪齒心部，具有良好的韌性。
3. 應用實例
以揚州電力設備修造廠2SA3系列中某型號閥門電動裝置為例�？紤]閥門電動裝置的工況特點和使用壽命需要，該產(chǎn)品的蝸桿副為Z K型，蝸桿變位系數(shù)為-0.32，蝸桿材料為45鋼調質、齒面為滲碳處理，蝸輪采用ZCuAl9Fe4Ni4MN2。蝸桿齒面為高速磨床成形砂輪磨削，蝸輪為專用刀具滾齒加工。整機結構為閉式殼體安裝，對稱軸承支撐，采用殼牌H220稀油潤滑。機械磨損壽命試驗表明(見圖7)，開關型閥門電動裝置壽命滿足了10 000次開關循環(huán)(注：全行程一開一關為一次開關循環(huán))、調節(jié)型閥門電動裝置壽命滿足了200 000次調節(jié)動作的行業(yè)標準要求。該蝸桿副的設計和制造工藝可靠地保證了閥門電動裝置的使用工況和壽命要求。
圖7 壽命試驗后的蝸桿副
