阀门电动执行机构中的蜗轮蜗杆硬度匹配探讨(谭爱红 扬州职业大学)

      1 概述

      电动执行机构是用来控制阀门和风门等启闭的一种重要装置。随着各种控制要求的不断提高，电动执行机构的应用越来越多，设计出各种能够满足不同要求的电动执行机构便显得尤为重要。由于蜗轮蜗杆机构既能传递动力又能传递位置信号，所以经常用于制造电动执行机构的机械传动件。

      2 工作原理

      电动执行机构是由电机带动蜗杆转动，蜗杆将运动传递给蜗轮，然后通过蜗轮再将运动传递给控制阀门或风门等的连接件。在此过程中，采用适当的方法将执行件的状态再反馈给电机，达到一个既可作闭环又可作开环控制的目的。

      在电动执行机构中，蜗杆在电机的带动下旋转，蜗轮和最终控制件连接。在摩擦力的作用下，蜗轮开始时保持静止状态，蜗杆在蜗轮接触面处滑动，当蜗杆上的扭矩大于摩擦力产生的力矩时蜗轮开始转动，电机的动力便通过蜗轮蜗杆副传递给了最终控制件阀门或风门。蜗轮蜗杆之间的运动理论上表现为刚体之间暂时的挤压变形和非刚体之间的永久变形。当蜗轮蜗杆之间的强度和刚度不是非常匹配时，就容易出现撕裂，或者蜗轮蜗杆材料元素相互渗透的磨损。磨损严重时将导致蜗轮蜗杆之间的低效率和损坏。

      3 结构特点

      电动执行机构中蜗轮蜗杆副的材料组合形式较复杂，有普通的钢蜗杆与球墨铸铁蜗轮、钢蜗杆与铜合金蜗轮以及钢蜗杆与其他有色金属蜗轮之间的多种组合。蜗轮蜗杆之间的磨损有蜗轮齿的折断（常见于钢蜗杆与铸铁蜗轮组合）、蜗轮齿面的胶合点蚀及齿面磨损减薄等。据统计，蜗轮蜗杆之间的磨损绝大多数发生在蜗轮的齿面上，而目前还没有较好的蜗轮抗胶合和抗磨损的理论计算方法。在设计蜗轮蜗杆机构时，有的按蜗轮齿面接触强度和齿轮弯曲强度进行条件性计算，有的采用试验方法确定。由于蜗轮蜗杆之间的磨损还与润滑以及布置方式有关，因此在电动执行机构的设计过程中，应认真考虑这些问题。

      蜗轮蜗杆机构结构紧凑，传动比大，啮合平稳，机械噪音小。但是传动效率较低，啮合面之间存在较大的滑动及磨损。蜗轮蜗杆的结构设计和材料选配在理论上可行，但在实际的使用过程中，往往会出现传动效率达不到设计要求或磨损严重，以至于达不到电动执行机构的使用标准等情况。因此有必要对蜗轮蜗杆的设计进行研究。

      4 试验过程

      蜗轮蜗杆硬度匹配的试验工作台是用一个标准电机带动蜗杆，蜗杆带动蜗轮，蜗轮与力矩输出装置连接，以便直接反映出在同一电机的条件下，不同硬度蜗轮蜗杆组合的传动效率。测试过程中，所有力矩的测量都是在蜗轮锁紧后，电机在失速堵转的情况下所测得的最大力矩。这样既可以测出蜗轮蜗杆之间的最大效率，又可以实际反映出蜗轮蜗杆之间的磨损情况。由于实验中，除了蜗轮蜗杆的互换外，其他零部件都保持不变，因而可以确定蜗轮蜗杆的传动效率与蜗轮蜗杆硬度匹配之间的关系。

      在实验中，蜗轮蜗杆副的效率为：

      η=（M ? n₂）/（M₁ ? k ? n₁）×100%

      式中：η   计算效率
               n₁ 电机的输出转速，r/s
               n₂ 试验装置的输出转速，r/s
               k   阀门专用电机的利用系数
               M  试验过程中测得的力矩，N?m
               M₁阀门专用电机的堵转转矩，N?m

      式中各种连接部分的能量损失，以及其他未考虑部分的能量损失，在相同条件下基本上不变，因而可以认为是常量。考虑蜗轮蜗杆副的效率，可以直接用蜗轮输出装置上反映出来的力矩来表示。该试验还可以同时观察到蜗轮蜗杆之间的磨损现象。

      试验中，电机的堵转转矩M₁=27N?m，电机的输出转速n₁=1300r/min，电机的利用系数k=3，该试验装置的最终输出转速n₂=28r/min （试验中数据均不变），试验过程中测到的力矩为M。

      第1 组试验为15CrMn蜗杆与ZCuAl9Fe4Ni4Mn2蜗轮组合。蜗杆牙面采用表面渗碳硬化及回火的热处理方法，渗碳深度为0.5～0.8mm。硬度为60HRC，蜗轮选用不同硬度。根据公式可以计算出η=0.02659×M。试验结果见表1。

表1 第1组试验结果 

      试验后蜗轮的磨损主要表现为蜗轮齿面锉伤，蜗杆面上有镏铜。

      第2组试验为，40Cr蜗杆（调质处理260HB）与ZCuAl10Fe3蜗轮的组合。其他条件与第1组相同。试验结果见表2。

表2 第2组试验结果 

      试验后蜗轮的主要磨损表现为蜗轮齿面的疲劳磨损，没有明显的磨损痕迹，蜗杆齿面有非常少的馏铜现象。

      第3组试验为，15CrMn蜗杆与ZCuAl10Fe3蜗轮的组合。其他条件保持不变。试验结果见表3。

表3 第3组试验结果 

      试验后，蜗轮齿面大部分受到损伤，蜗杆表面镏铜现象十分严重。

      5 结果分析

      试验过程中，根据设计的基本要求，输出力矩必须大于1100N?m才可以符合要求。分析试验结果，可以看出：

      ① 蜗轮蜗杆的硬度匹配对传动机构性能有直接的影响。在蜗杆渗碳硬化处理时，蜗轮的硬度不能低于140HB。不同材料的组合对两者的硬度匹配要求不同，蜗杆硬度越高，对蜗轮的要求也就越高。不同的铜合金，传动效率也有明显的区别。

      ② 在蜗轮蜗杆的啮合效率试验过程中，传动效率和磨损除了受到几何参数的影响外，还与材料组合及硬度差异有关系。硬度差越大，传动效率越低，磨损越严重。硬度差越小，传动效率越高，磨损越不明显。但是，蜗轮蜗杆的硬度不能相同，否则，首先磨损的将会是蜗杆。

      ③ 蜗轮蜗杆的啮合寿命与蜗轮的强度有直接的关系。在钢蜗杆与铜合金的蜗轮组合中，如果当蜗轮的硬度低于130HB时，蜗轮的磨损特别严重，使用寿命非常短，不能满足普通工况要求。当蜗轮的硬度大于130HB时，蜗轮蜗杆副的寿命可以满足工业性试验的要求。因此在蜗轮的加工过程中要严格控制蜗轮的硬度范围。

      6 结语

      一般情况下，蜗杆的硬度比较容易控制，而蜗轮的硬度相对来说比较难控制，它不仅牵涉到蜗轮浇铸时添加的各种微量元素的比例，还受到蜗轮处理方式不同的影响。只有不断地深入研究，才能最终解决这个问题。

      参考文献

      [1] 华中工学院机械原理及机械零件教研室 机械原理及机械零件[M] 北京:高等教育出版社 1991
      [2] 黄锡恺 郑文纬 机械原理[M] 北京:高等教育出版社 1991
      [3] 机械零件设计手册编写组 机械零件设计手册[M] 北京:冶金工业出版社 1996