微晶合金技術(shù)在機(jī)械傳動(dòng)中的應(yīng)用

祝瑞銀

（中能建華東電力裝備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域?qū)C(jī)械傳動(dòng)的要求也越來(lái)越高，就減速類機(jī)械裝置而言，其主傳動(dòng)部分決定著傳動(dòng)的精度及性能的好壞。本文介紹了一種新型材料——微晶合金在中等轉(zhuǎn)矩機(jī)械傳動(dòng)中的應(yīng)用。

微晶合金是一種金屬晶粒細(xì)化至微米級(jí)的鑄造合金材料，這種超微晶粒的合金可以表現(xiàn)出比其他同類合金更加優(yōu)異的綜合機(jī)械性能和力學(xué)性能、超強(qiáng)的性能穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性、極好的減摩性和良好的耐磨性。用微晶合金鑄造的蝸輪在性能上能夠滿足減速類機(jī)械裝置的要求，不僅降低了蝸輪的重量，而且成本比常用的銅蝸輪大大降低。

1 微晶合金的性能及應(yīng)用

微晶合金是一種鋅基合金升級(jí)換代材料，在非晶基礎(chǔ)上形成的晶粒尺寸為納米級(jí)軟磁合金，即納米晶軟磁合金。

在鐵基非晶合金中加入促進(jìn)早期形核的銅和抑制晶粒長(zhǎng)大的鈮，先用單輥快淬法制取非晶薄帶，然后在略高于晶化溫度下退火可得到微晶組織。微晶組織由晶粒和晶界兩相組成，晶粒占75%～80%，晶界占20%～25%。微晶具有高的飽和磁感，低的矯頑力和鐵芯損失。

目前微晶合金主要有以下幾類：具有超低減摩系數(shù)的微晶合金LZA3805、具有較大PV（PV值表示機(jī)械密封的工作能力，同時(shí)也可用它表示機(jī)械密封的工況負(fù)荷）值特性的微晶合金LZA4008、具有超耐磨特性的微晶合金LZA4205。常用微晶合金材料的性能參數(shù)見表1。

表1 常用微晶合金的性能參數(shù)

由表1可見，常用的微晶合金材料與普通的合金相比具有優(yōu)越的特性，所以被廣泛地應(yīng)用于電力電子、機(jī)械制造行業(yè)等。微晶合金在電力電子行業(yè)主要用作飽和電抗器、高頻變壓器等電子器件鐵芯；在機(jī)械制造行業(yè)主要制造蝸輪、絲母、軸瓦、軸套、滑板和導(dǎo)軌板，用于替代銅合金。

2 微晶合金的強(qiáng)度分析

蝸輪蝸桿傳動(dòng)的失效形式和齒輪傳動(dòng)一樣，主要有膠合、磨損、疲勞點(diǎn)蝕和輪齒折斷等。由于蝸桿傳動(dòng)嚙合面間的相對(duì)滑動(dòng)速度較大，效率低，發(fā)熱量大，在潤(rùn)滑和散熱不良時(shí)，膠合和磨損為主要失效形式［1］。

下面以機(jī)械傳動(dòng)中常用的蝸輪蝸桿傳動(dòng)形式為分析研究對(duì)象，分別對(duì)普通材料ZCuSn10P1以及微晶合金材料LZA3805制成的蝸輪進(jìn)行建模及有限元分析。

現(xiàn)有的三維造型軟件已經(jīng)能夠做出足夠精確的模型，本文中使用Visual Basic語(yǔ)言編寫程序宏，根據(jù)蝸輪的基本參數(shù)在SolidWorks軟件中運(yùn)行宏生成蝸輪齒形，再應(yīng)用COSMOSWorks分析軟件對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析。

相鄰齒受載荷作用時(shí)齒根應(yīng)力相互影響，選取3個(gè)齒進(jìn)行分析［2］。首先取模數(shù)mc＝4mm，齒寬B＝40mm，齒數(shù)z＝50，然后進(jìn)行約束條件和加載處理，施加的載荷F＝20kN，如圖1所示。

根據(jù)赫茲公式，齒輪在嚙合時(shí)，理論上是線嚙合，但由于材料的彈性變形是有一定寬度的，為簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)應(yīng)力σ＝F/（Sb）（其中，S為接觸線長(zhǎng)度，b為變形后接觸線寬度）可以計(jì)算出變形后的嚙合線寬度［3］。常用蝸輪材料ZCuSn10P1的屈服應(yīng)力σs＝375MPa，材料變形后的σ＝0.8σs，接觸線長(zhǎng)度S＝60mm，考慮到嚙合的復(fù)雜性及蝸輪材料在變形后應(yīng)力取值的局限性，計(jì)算得到單齒面嚙合線寬度b＝0.4mm。

微晶合金材料LZA3805制成的蝸輪屈服應(yīng)力σs＝430MPa，材料變形后σ＝0.8σs，接觸線長(zhǎng)度S＝60mm，計(jì)算得到單齒面嚙合線寬度b＝0.28mm。

進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，應(yīng)用COSMOSWorks分析軟件對(duì)蝸輪受拉側(cè)進(jìn)行分析，相同條件下常用蝸輪材料ZCuSn10P1和微晶合金材料蝸輪的應(yīng)力云圖如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可見，在相同的工作環(huán)境下，施加20kN同樣大小的載荷，普通蝸輪材料的屈服應(yīng)力值為275.7MPa，微晶合金蝸輪材料的屈服應(yīng)力值僅為55.15MPa，極大地提高了傳動(dòng)的效率以及穩(wěn)定性。

圖1 蝸輪加載受力圖

圖2 材料為ZCuSn10P1的蝸輪應(yīng)力云圖

圖3 材料為L(zhǎng)ZA3805的蝸輪應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

（1）根據(jù)分析結(jié)果可知，在同等條件下蝸輪采用微晶合金變形比常用材料小。

（2）微晶合金蝸輪可以應(yīng)用到要求更苛刻的機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域，可以傳遞更大的扭矩。

（3）微晶合金蝸輪的耐磨性優(yōu)于普通材料。

（4）微晶合金材料的抗沖擊能力（材料強(qiáng)度及韌性）、減摩性能（對(duì)蝸桿的保護(hù)作用及溫室）以及材質(zhì)的可靠性、穩(wěn)定性等都相對(duì)優(yōu)越于普通材料。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械傳動(dòng)的性能、效率、能耗是當(dāng)前機(jī)械行業(yè)發(fā)展水平的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，亟需基礎(chǔ)材料的更新?lián)Q代。微晶合金材料具有比普通材料更優(yōu)越的性能，可為國(guó)家能源節(jié)約以及制造業(yè)的升級(jí)帶來(lái)了很大的材料支撐，此新材料技術(shù)并將引導(dǎo)未來(lái)支柱產(chǎn)業(yè)的革命，意義重大。

［1］朱效錄，鄂中凱.齒輪承載能力分析［M］.北京：高等教育出版社，1992.

［2］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］吳大任，駱家舜.齒輪嚙合原理［M］.北京：科學(xué)出版社，1985.