針對(duì)閥門電動(dòng)裝置蝸桿副傳動(dòng)效率低的問(wèn)題，分析了影響蝸輪蝸桿傳動(dòng)質(zhì)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(shè)計(jì)幾何參數(shù)、正確使用潤(rùn)滑方式和科學(xué)選擇蝸輪蝸桿的配對(duì)材料等方法提高閥門電動(dòng)裝置蝸桿副的傳動(dòng)質(zhì)量。

一、前言

　　閥門電動(dòng)裝置的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般為齒輪類減速機(jī)構(gòu)。蝸桿副因具備傳動(dòng)比大、承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)及噪聲較低等優(yōu)點(diǎn)，在閥門電動(dòng)裝置上得到廣泛應(yīng)用。此外，當(dāng)蝸桿螺旋角小于當(dāng)量摩擦角時(shí)，蝸桿副具有自鎖性，能實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的自鎖功能。

　　與國(guó)際著名閥門電動(dòng)裝置廠家(如德國(guó)Auma、英國(guó)Rotork、美國(guó)Limitork等)相比，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家的設(shè)計(jì)和制造水平相對(duì)落后，閥門電動(dòng)裝置中的蝸桿副傳動(dòng)質(zhì)量相對(duì)較差，同傳動(dòng)比情況下傳動(dòng)效率要低5%～15%，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)閥門電動(dòng)裝置的體積偏大、電動(dòng)機(jī)功率偏高，嚴(yán)重影響了國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

二、研究與分析

　　1. 影響傳動(dòng)質(zhì)量的原因

　　圓柱蝸桿傳動(dòng)質(zhì)量的綜合指標(biāo)是承載能力(或使用壽命)和傳動(dòng)效率。蝸桿傳動(dòng)主要失效形式是油的溫升過(guò)高及由此而引起的各種蝸輪表面失效。實(shí)踐證明，影響油的溫升過(guò)高的主要因素是共軛齒面間接觸應(yīng)力大小和摩擦因數(shù)的大小，而以摩擦因數(shù)大小起主導(dǎo)作用。此外，真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)認(rèn)為蝸桿副的傳動(dòng)質(zhì)量在一定程度上還受到載荷性質(zhì)、材料配對(duì)、熱處理、潤(rùn)滑油及潤(rùn)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(dòng)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(shí)接觸位置分布情況，蝸輪齒面劃分為如圖1所示的4個(gè)區(qū)域：Ⅰ區(qū)為嚙出側(cè)區(qū);Ⅱ區(qū)為中央?yún)^(qū);Ⅲ區(qū)為嚙入側(cè)區(qū);Ⅳ區(qū)為節(jié)線附近區(qū)。各嚙合區(qū)的嚙合特征見(jiàn)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(dòng)質(zhì)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(shè)計(jì)和制造時(shí)應(yīng)充分利用。為此，提出如下兩種最佳嚙合方式(見(jiàn)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(gè)嚙合區(qū)的25%～30%，特點(diǎn)是在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ形成“人工油涵”， 可避開(kāi)“危險(xiǎn)區(qū)”， 減少載荷集中。實(shí)現(xiàn)此方法有兩種途徑：

　　1)調(diào)整蝸輪軸向位置，當(dāng)蝸桿副工作一段時(shí)間后，需要再調(diào)整;注意加載后，嚙合斑點(diǎn)要向出口移動(dòng);入口側(cè)形成油涵(見(jiàn)圖3)。

圖3 調(diào)整蝸輪法示意

　　2 ) 移動(dòng)刀架位置，用對(duì)偶范成法加工蝸輪，再按圖示方法移動(dòng)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(jiàn)圖4)。(續(xù))

圖4 移動(dòng)刀架位置法示意

　　(2)最佳嚙合方式b 此時(shí)嚙合區(qū)位于蝸輪齒頂占整個(gè)嚙合區(qū)的30%～40%, 特點(diǎn)是在Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ形成“人工油涵”, 避開(kāi)了大部分“危險(xiǎn)區(qū)”和主要的點(diǎn)蝕“弱區(qū)”，動(dòng)壓潤(rùn)滑條件良好。

　　實(shí)現(xiàn)最佳嚙合方式b的方法：通過(guò)修正齒形角(見(jiàn)圖5)來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)“最佳”嚙合方式b。

圖5 修正齒形角示意

　　2. 合理設(shè)計(jì)幾何參數(shù)

　　對(duì)圓柱蝸桿傳動(dòng)質(zhì)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(dòng)的嚙合特性及提高傳動(dòng)質(zhì)量，動(dòng)力蝸桿傳動(dòng)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(guó)E.I.Radzimovsy等人，對(duì)齒輪傳動(dòng)的摩擦因數(shù)進(jìn)行了研究，指出在“漸近”和“漸遠(yuǎn)”嚙合部分的平均摩擦因數(shù)分別為f近=0.11，f遠(yuǎn)=0.05。如果使蝸桿嚙合位置接近于蝸桿的根徑(即負(fù)變位)，將擴(kuò)大“漸遠(yuǎn)嚙合”的范圍，縮短“漸近合”的范圍，此時(shí)Ω角較大，也有利于油膜形成。

　　(2)合理選擇蝸桿頭數(shù) 當(dāng)傳動(dòng)比、中心距給定時(shí)，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(shè)計(jì)方案，特別對(duì)于圓弧齒蝸桿傳動(dòng)，更加明顯(見(jiàn)圖6)。

圖6 兩種形式螺桿傳動(dòng)曲線

　　3. 正確選擇潤(rùn)滑方式

　　蝸桿蝸輪傳動(dòng)時(shí)滑動(dòng)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(rùn)滑方式對(duì)其傳動(dòng)質(zhì)量影響較大。選用潤(rùn)滑方式時(shí)，可根據(jù)相對(duì)速度、中心距、工作條件、載荷性質(zhì)及蝸桿副材料等進(jìn)行選擇，見(jiàn)表2。此外油池潤(rùn)滑時(shí)，采用蝸桿下置形式，油面可以在一個(gè)齒高到蝸桿中心線的范圍內(nèi)變化，速度高，油面應(yīng)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(duì)速度選擇潤(rùn)滑油

二、科學(xué)選擇材料和工藝

　　1. 蝸輪、蝸桿的材料選擇

　　蝸桿材料應(yīng)選擇硬度高、剛性好的材料，同時(shí)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(jiàn)表3。

表3 蝸輪、蝸桿常用配對(duì)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(shí)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(lái)選擇，常用熱處理工藝有調(diào)質(zhì)、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(shí)現(xiàn)輪齒心部，具有良好的韌性。

　　3. 應(yīng)用實(shí)例

　　以揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠2SA3系列中某型號(hào)閥門電動(dòng)裝置為例。考慮閥門電動(dòng)裝置的工況特點(diǎn)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(diào)質(zhì)、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(jī)結(jié)構(gòu)為閉式殼體安裝，對(duì)稱軸承支撐，采用殼牌H220稀油潤(rùn)滑。機(jī)械磨損壽命試驗(yàn)表明(見(jiàn)圖7)，開(kāi)關(guān)型閥門電動(dòng)裝置壽命滿足了10 000次開(kāi)關(guān)循環(huán)(注：全行程一開(kāi)一關(guān)為一次開(kāi)關(guān)循環(huán))、調(diào)節(jié)型閥門電動(dòng)裝置壽命滿足了200 000次調(diào)節(jié)動(dòng)作的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。該蝸桿副的設(shè)計(jì)和制造工藝可靠地保證了閥門電動(dòng)裝置的使用工況和壽命要求。

圖7 壽命試驗(yàn)后的蝸桿副