复合齿轮泵（共6篇）
复合齿轮泵 篇1
0 引言
随着科学技术的快速发展, 液压传动的应用也越来越来广泛。并且应用程度已成为衡量一个国家的工业化水平的重要标志之一。在液压传动技术中, 液压动力元件 (齿轮泵) 是整个液压系统的心脏。在结构上可分为外啮合式和内啮合式两大类。外啮合齿轮泵的优点是结构简单、尺寸小、质量轻、制造维护方便、价格低廉、工作可靠、自吸能力强、对油液污染不敏感等。缺点是齿轮承受不平衡的径向液压力, 轴承磨损严重, 工作压力的提高受到限制, 流量脉动大, 导致系统压力脉动大, 噪声高等。由于存在这些缺点, 必须对齿轮泵齿轮建立精确模型, 进行齿轮泵齿轮啮合的精确动力学与运动学的模拟仿真。在SolidWork环境下结合Excel完成了复合式齿轮泵 (图1) 中心齿轮的精确模型。为齿轮泵中心齿轮进行齿根应力分析和齿轮啮合的精确动力学与运动学仿真奠定了基础。
1 描点法绘制齿轮齿廓
在SolidWorks环境下建模时, 最棘手的一步是绘制精确的齿廓曲线和过渡曲线草图。要绘制比较精确的渐开线齿廓曲线, 首先需要建立合适的参数方程, 计算曲线上若干点的坐标值, 将这些点绘制出来。再用“插入曲线”的命令连接这些点, 从而绘制出一条渐开线齿廓曲线。有了齿廓曲线草图, 就可以通过拉伸、放样或扫描等命令来建立齿轮的三维模型[1]。
1.1 建立齿轮齿廓渐开线参数方程
由机械原理可知, 渐开线的生成是BK沿半径为Rb的圆作纯滚动时, 该直线上任一点K的轨迹称为圆的渐开线。该圆称为基圆, 而直线BK称为发生线 (图2) [2]。
由此不难得出渐开线的参数方程:
undefined
undefined
由渐开线的生成原理, 得到渐开线的数学分析 (图3) 。
式中:Rb——渐开线的基圆半径;
αi——渐开线上各点的压力角。
所以得到渐开线的参数方程为:
式中:t为变参数, 在0°～90°之间取值。
1.2 描点法绘制齿廓曲线
将基圆半径公式代入式 (3) , 并将t值离散化。例如将t在取值范围内均分为90等份, 利用excel软件将t初值设为0, 终值设为90, 通过Excel强大的计算功能可得到渐开线上90个型值点的坐标值, 将其存为文本文件的格式 (图4) 。
在SolidWorks中插入自由端点曲线, 调用此渐开线上型值点的坐标文件, 可生成齿轮轮廓的渐开线曲线。用上述方法描绘曲线。实例齿轮参数为:m=2, z=30, α=20°, b=30mm, 直齿圆柱渐开线齿轮的齿廓曲线 (图5) 。
1.3 建立齿根过渡线的参数方程
根据加工齿轮刀具形状的不同, 机械工业中常见的过渡曲线有5种。
a) 采用齿条型刀具加工齿轮时, 如果刀具齿廓的顶部具有两个圆角时, 过渡曲线如图6 (a) 所示, I和II是齿根过渡线, III是齿根圆圆弧。
b) 用齿条型刀具加工齿轮时, 如果刀具齿廓的顶部只有一个圆角, 则过渡曲线如图6 (b) 所示。
此例是按第一种过渡曲线建立方程, 建立模型, 所以其余几种在这里不再介绍, 在参考文献[3]中有详细叙述。
此例中选取第一种有代表性的过渡曲线形式为例, 其余4种过渡曲线的建立过程与其类似。选取加工齿轮的刀具齿廓的顶部具有2个圆角, 如图6 (a) 所示。由2段延伸渐开线的等距曲线和齿轮的齿根圆圆弧构成了齿槽形状曲线。由于不同的刀具参数, 所以产生不同的齿根过渡线。第一种过渡线, 对于刀具齿廓见图7。
其参数关系如下:
a=fm+cm-rρ (4)
undefined (5)
undefined (6)
用齿条型刀具加工齿轮如图8所示是刀具的加工节线和齿轮的节圆相切纯滚。P是节点, nn是刀具圆角与过渡曲线接触点的公法线α′是nn与刀具加工节线的夹角。
以图8中坐标得到延伸渐开线的等距曲线的参数方程:
undefined
其中φ与α的关系:
undefined
其中:a1=a-xm, 式中的xm是加工变位齿轮时的移距值。
当切削标准齿轮时, 将刀具中心线调节至与被加工齿轮分度圆相切的位置 (或使刀具的齿顶与被加工齿轮的齿根圆相切) , 本文选择的是标准直齿圆柱齿轮, 所以xm=0。即a1=a。实例齿条型刀具参数z=20, m=2, α=20°, f=1, c=0.25.代入式 (4) , (5) , (6) 。α′角是变参数, 在α～90°范围内变化, 对应不同的α′角, 即可通过Excel软件求得过渡曲线上不同点的坐标值。按齿廓渐开线的方法直接导入到SolidWorks中生成齿根过渡线 (图8) 。
1.4 调整渐开线和过渡曲线
由于两条曲线在不同的坐标系中建立的参数方程, 所以通过调整曲线达到设计要求, 两个曲线都是在直角坐标系中建立, 所以调整其中一条通过坐标变换就可以, 调整后的Excel数据文件见图9[2]。
直角坐标系中旋转坐标公式:
x′=xcos (-ϕ) +ysin (-ϕ)
y′=-xsin (-ϕ) +ycos (-ϕ)
式中:ϕ—为旋转角, x′, y′为变换后的坐标值。
此题选择渐开线为旋转曲线通过坐标变换后的Excel数据文件为图4, 在SolidWorks中生成的齿廓曲线 (图10) 。
2 生成齿轮实体模型
2.1 生成齿根圆实体
在草绘平面内, 以坐标原点为圆心, R27.5为半径画圆, 并单击“特征”工具栏中的“拉伸凸台/基体”按钮, 以齿宽“30mm”为拉伸深度, 生成齿轮基体。
2.2 齿端单个轮齿的绘制
在齿轮端面内, 单击“草图”工具栏中的“转换实体引用”按钮将齿根圆, 渐开线和齿根过渡线, 投影到当前草绘平面, 再修整齿廓渐开线和过渡线。结果如图11所示。
2.3 生成齿轮轮齿
单击“特征”工具栏中的“拉伸凸台/基体”按钮, 给定深度30mm。生成单个轮齿后, 再点击圆周阵列, 在实例数文本框中输入齿数“30”, 并选择“等间距”复选框, 以轴向为阵列方向, 阵列产生30个轮齿。
2.4 键槽和倒角的生成
按图12所示绘制键槽, 并单击“特征”工具栏中的“拉伸切除”按钮, “贯穿所有“生成实体。再按要求绘制倒角。
2.5 生成齿轮模型
完成了齿轮精确模型设计, 验证了在模型上齿轮齿槽是由2段延伸渐开线等距曲线和齿轮的齿根圆圆弧构成了齿槽形状曲线 (图13) 。
3 结语
1) 结合Excel软件采用描点法创建齿轮实体模型, 验证了理论设计中齿槽是由2段延伸渐开线的等距曲线和齿根圆圆弧构成了齿槽形状曲线。避免了在建模设计时用近似的圆弧或直线来替代齿根过渡线。为齿轮进行齿根应力分析和齿轮啮合的精确动力学仿真提供一种精确模型的建模方法, 具有一定的借鉴意义。
2) 对用户的最大优点就是简单易学, 不需要掌握VB, VC等程序设计语言, 只需要了解Excel和SolidWorks里的基本操作即可完成复杂、高精度模型设计。
3) 在SolidWorks中采用描点法用于齿轮三维模型的建立是非常方便同时又很精确的一种方法。根据不同的齿轮参数只需要在Excel数据表格中修改相应的参数即可得到渐开线和过渡线的数据文件, 生成实体模型, 参数化程度高, 对设计者的要求比较低。
摘要：结合计算机辅助设计/制造 (CAD/CAM) 的需要, 提出了一种比较简单、易学的一种精确建模方法。通过研究标准渐开线圆柱齿轮齿廓渐开线和齿根过渡线, 并建立参数方程, 在SolidW orks环境下结合Excel软件, 采用描点法直接产生渐开线和齿根过渡线, 再通过坐标变换调整曲线得到满足要求的齿轮齿廓, 完成了齿轮泵中心齿轮的三维实体精确建模设计。该方法可应用于其他类似复杂零件模型设计。
关键词：中心齿轮,渐开线齿轮,SolidWorks,精确建模
参考文献
[1]吴继泽, 王统.齿根过渡曲线与齿根应力[M].北京:国防工业出版社, 1989.
[2]朱静, 谢军.SolidWorks中渐开线齿廓曲线的精确绘制[J].大连铁道学院学报.2006, 27 (1) :83-84.
[3]李新华, 岳荣刚, 宋凌.中文版SolidWorks2006机械设计工程实践[M].1版.北京:清华大学出版社, 2006.
[4]侯波, 孙全兵.三从动轮并联齿轮泵结构和性能研究[J].流体机械.2008 (05) .43-48.
[5]张湘, 郭坤州, 夏宏玉, 等.基于SolidWorks的渐开线齿轮建模方法研究[J].现代机械, 2008 (4) .37-39.
[6]张训福, 黄康, 陈奇.渐开线齿轮齿根过渡曲线方程的建立及三维精确建模[J].设计与研究, 2008 (2) :1-7.
复合齿轮泵 篇2
型号说明
① 产品代号
② 压力等级
E: 16MPa F: 20MPa ③ 齿轮模数 ④ 前泵公称排量(mL/r)⑤ 后泵公称排量(mL/r)
⑥ 安装形式
A: 菱形法兰
⑦ 油口形式
F: 法兰联接
⑧ 轴伸形式
P:平键
H: 矩形花键
:SAE花键
⑨ 旋
向
L: 左旋（逆时针）R: 右旋（顺时针）（省略）
外形图
性能参数
复合齿轮泵 篇3
液力传动的应用与发展已有百年的历史,诸多的优良传动品质与特点,如能容大、功率质量比大、高可靠性、自动适应性,隔离衰减扭振、良好地过载保护与大惯性负载的启动性能等,已为广大用户所熟知与认可。
目前用于负载调速的液力传动装置主要有调速型液力偶合器和可调式液力变矩器。调速型液力偶合器采用外部手段调节工作腔中的充液量,改变偶合器的输出特性,达到调节工作机械转速的目的。在电站锅炉给水泵、钢厂煤粉输运风机、石化工业泵与压缩机的传动与调速方面有着非常广泛的应用。
液力元件传递的功率与泵轮输入转速的三次方、循环圆直径的五次方成正比,因此提高泵轮输入转速可大幅增加传动功率并减小体积,图1是齿轮增速式调速型液力偶合器,目前单机传递功率可以达到60 MW、转速20 000 r/min以上[1,2,3,4]。
液力偶合器调速技术成熟简单,使用维护方便、工作寿命长,初始投资低、运行维护费用低。但调速型液力偶合器装置传动效率等于转速比,在额定工况转速附近效率很高,而在较低负荷工况传动效率明显降低,因此不大适合调速范围要求较大的大功率调速的应用。
导叶可调节式液力变矩器可通过调节可调导轮的叶片角来改变输出特性,图2为结构简图,特性曲线如图3所示。
1-输入轴;2-泵轮;3-涡轮;4-输出轴;5-可调导叶;6-导叶调节机构;7-齿轮泵;8-安全阀;9-油箱
从液力变矩器的特性曲线可以看出,涡轮输出转矩在制动工况时最大,随着转速比的增大,涡轮输出力矩单调下降,近似一条等功率曲线。可调式液力变矩器可应用于恒转矩的场合[5],如容积式的往复泵(化肥厂的甲胺泵等)、螺杆泵、压缩机,还有混合搅拌机(如化工行业中的反应釜)、挤压机、石油钻机(绞车、钻井泵的驱动)等。对于恒转矩类的负载,虽然随着转速的降低,负载转矩近似不变,导叶开度减小泵轮转矩下降,泵轮输入功率减小,因此在低转速下效率要高于偶合器。
德国福伊特公司的导叶可调式液力变矩器的一个重要应用场合是联合电厂燃气轮机启动[6,7,8,9,10],通过设置不同的导叶开度,获得不同的输出特性,满足启动过程变化的速度与力矩特性的要求。导叶可调离心涡轮液力变矩器正反转工况特性还适合某些特殊负载工况的应用,如石油钻机驱动中替代电磁涡流刹车实现下钻制动功能[11]。
导叶可调式液力变矩器的最高效率一般不会超过90%,随着负荷的减小效率还会下降,虽然在低转速下效率高于偶合器,但还是比较低,用于大功率调速不占优势。
随着工业技术的发展与人们节能减排意识的逐渐深入,在大功率的应用场合,对于动力传输设备的传动效率提出了更高的要求。调速控制是目前应用非常广泛的节能运行方式,而传统的调速型液力偶合器、可调式液力变矩器都存在效率方面的局限,由此促使液力行业更加重视高效液力变速与传动装置的应用与开发。
1 液力变速行星齿轮复合传动装置
液力机械传动的效率很高,采用可调式液力元件即可实现调速。液力变矩器的效率曲线是抛物线形状,高效范围有限,要在增速、减速、恒速传动中获得高效,需要液力变矩器和行星齿轮结构参数之间的合理匹配。
1.1 增速调速传动
图4所示为福伊特公司的RWE型液力行星齿轮传动装置,其基本组成为导叶可调式液力变矩器和行星变速箱,在60%～100%的调速范围内,可以保持较高的传动效率。
液力变速行星齿轮的运行基于功率分流原理,即大部分的功率直接通过主轴和行星齿轮以机械传动方式传递,只有一小部分功率通过液力变矩器叠加在旋转的行星齿轮上。由于大部分功率都是以机械形式传递,整个装置的最高效率可以超过95%。
A-导叶可调式液力变矩器;B-固定的行星齿轮;C-旋转的行星齿轮;D-工作油循环
图5给出分流各功率随相对输出转速的变化曲线。差动轮系太阳轮的输出功率(P3)相当于传输给工作机械的功率,这个功率包含齿圈传递的功率(P1)和行星架传递的功率(P2)。旋转行星齿轮的齿圈通过主输入轴直接与驱动电机相连,以恒定转速运转;接近75%的主电机功率通过差动齿轮系高效地传递给工作机械;旋转行星齿轮行星架的功率(P2)则通过液力变矩器传递。在高转速工作区域,只有大约25%的传递功率从液力变矩器分流到行星架,也只有这部分功率受液力变矩器工作效率的影响,计算工况变矩器的效率可以达到89%,也就是说,在液力变矩器中的损失功率占变矩器分流功率的11%左右,相对于整个传递功率,比例则更小一些。图5中P2负功率表明的是在较低的装置输出转速情况下,液力变矩器工作于反转制动工况,液力变矩器的涡轮吸收外部功率。
图6给出的是液力变速行星齿轮与齿轮式调速型偶合器传动效率的对比,齿轮式调速型偶合器只有在额定工况附近才具有较高的传动效率,而液力行星齿轮在较宽的负荷变化范围内可以保持较高的传动效率。
图7给出的是福伊特公司液力变速行星齿轮的另一种型号,与RWE型相比,除了液力变矩器以外,包含调速型液力偶合器,以及内置的摩擦离合器和充液量可调的液力制动器,集成了液力传动中的三大主要元件,这种设计使装置的转速控制范围扩大到了10%至100%。
A-调速型液力偶合器;B-摩擦离合器;C-可调式液力变矩器;D-变充液量液力制动器;E-固定的行星齿轮;F-旋转的行星齿轮
液力变速行星齿轮弥补了调速型液力偶合器低速比或者低负荷工况效率偏低的不足之处,在机组60%～100%的负载率变化范围内具有与变频传动可比拟的总体传动效率,这一点,齿轮式调速型液力偶合器是做不到的。在负荷变化并不是十分大的场合,液力行星齿轮的总体优势还是非常明显的,是能够与高压变频器抗衡的大功率调速装置。国内此类产品目前处于空白,认知程度也不是很高,具有一定的应用及发展空间。这类传动装置重点应用在海上钻井平台、天然气管道、原油和流体输送管道、石油精炼厂、石化厂和其他工业设备中,应用环境对设备运行的经济性及可靠性具有很高的要求。 具体应用领域有:
(1)能源工业:电站锅炉给水泵,鼓风机等;
(2)石油和天然气、化工行业:管线压缩机,工艺压缩机,制冷压缩机,氢再循环压缩机,液化天然气(LNG)原料气体压缩机,液化天然气(LNG)闪蒸气体压缩机等;
(3)其他工业:压缩机、泵和风机的驱动。
1.2 减速调速传动
RWE..AB是福伊特液力行星齿轮中用于低速传动的一种型号,转速调节范围60%～100%,配备的液力制动器可使大惯性的工作机械在停止运转时能够快速停机,图8是其原理简图。
大功率液力变速行星齿轮减速传动,可用工业普通的4极或6极定速电动机,而不必考虑选用昂贵的、大功率多极低速电机配置高压变频器。
减速液力行星齿轮传动在火电厂的磨煤机上已有成熟应用。其他行业,如化工领域PVC生产线上的聚合釜、化肥厂柱塞式甲胺泵,石油矿场钻机设备,液化天然气往复式压缩机等低速工作机械,也可探讨采用液力行星齿轮替代可调式液力变矩器、调速型液力偶合器作为调速驱动装置。
1.3 恒速控制
福伊特公司于2003年提出“风电液力驱动”的概念,2006年研制成功液力恒速控制装置应用于DeWind公司的D8.2风力机,装置命名为“WinDrive”, 实现了与常规燃油、燃气或燃煤电厂相似的直接并网发电方式。WinDrive装置的基本组成为一台行星变速箱和一台导叶可调式液力变矩器,仍然是一类典型的液力变速行星齿轮复合传动装置[14]。
图10给出采用WindRive装置的风力发电系统原理,此种风力发电系统,可调式液力变矩器的主要功能是配合行星齿轮系,适应不断变化的风轮转速,利用分流的小部分功率实现变化的风轮转速到同步发电机转速的恒定输入,从而保证发电机输出电压与频率的稳定而不必附加其他大功率逆变装置。
对于采用液力变速行星齿轮的风力发电系统具有如图11所示的组成部件的运动关系,图11中的液力变矩器“B”代表泵轮;“T”代表涡轮;“D”表示导轮。
根据图11的原理图,通过运动方程关系的建立与推导,可以得出变化的风轮转速到恒定的发电机输入转速、涡轮输出转速与风轮转速的匹配关系。
undefined (1)
式中 nG(nB)——太阳轮的转速,也是液力变矩器的泵轮和发电机的输入转速/r·min-1;
nT——液力变矩器涡轮输出转速/r·min-1;
nR——风轮转速/r·min-1;
α1——差动轮系传动比;
α2——行星轮系传动比;
α3——增速箱传动比。
风轮通过增速装置驱动行星架旋转,太阳轮驱动液力变矩器的泵轮和发电机,通过液力变矩器涡轮输出转速的调节,使齿圈转速按某一规律响应风轮转速的变化,即可达到使发电机转速恒定输入的目的。
对于图11中的差动轮系传动机构,三个构件与它们相联的三个轴上的转矩存在如下关系。
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式中 MB——液力变矩器泵轮输入转矩;
MG——发电机输入轴转矩;
-MT——液力变矩器涡轮输出转矩;
MR——风轮转矩。
根据式(2)中的转矩比例关系,可以得到液力变矩器涡轮的输出转矩。
undefined (3)
由式(1)可得涡轮输出转速。
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变矩器涡轮输出转矩与风轮转矩是标准的比例关系,而涡轮转速与风轮转速的关系则是一条负斜率直线的关系,即随着风轮转速的增大,风轮转矩增大,而液力变矩器涡轮输出转速则是降低的,涡轮输出转矩也是增大的。液力变矩器适应风轮工作的这种特征正是液力变矩器本身自动适应性的体现。
作为流体机械,液力变矩器的输出特性与风轮转子转矩—转速特性相吻合,因此,将两者配合起来使用是非常理想的。同时也不难理解,在图12所示的WinDrive工作特性曲线中,在常见的装置输入转速(对应变化的风轮输入转速)变化范围(n2～nmean)内,可调式液力变矩器工作在某一固定导叶开度附近即可满足系统工作要求,并保持较高的传动效率。
WinDrive装置已经进入商业化运行阶段,兰州电机公司(LEC)也于2011年引进采用WinDrive技术的风力发电机组[14]。WinDrive装置在新能源开发中的应用,为传统的液力传动技术拓宽应用领域开辟了新的方向。
2 结论
(1)调速型液力偶合器和单独的液力变矩器都难以满足用户在更宽的负荷变化范围内保持节能高效的运行要求。
(2)液力变速行星齿轮可以满足工业生产大多数应用场合高效传动的要求,同时也适应多种负载(包括恒转矩)类型的调速与驱动。模块化的各个组成部分都采用了实践证明的成熟可靠技术,对于经济性和控制方面有更高要求的场合是一个很好的选择。
(3)液力行星齿轮应用于大型风力发电系统,仍然是基于功率分流的原理,从而获得较高的传动效率。兆瓦级的风机,几百千瓦以上的分流功率,对于液力传动尚属于低功率的等级,液力传动的明显优势依旧得以发挥。
摘要：由调速型液力偶合器或可调式液力变矩器和行星齿轮传动构成的液力机械调速装置具有效率高、寿命长、工作可靠等优点,特别适合应用于各种大功率工作机的速度控制。本文分析了液力行星齿轮复合传动装置的基本结构和系统的功率分流原理,介绍了风力发电恒速控制等几种典型应用实例及工作特性。新型液力机械调速装置有优良的传动品质及经济性,具有良好的应用与开发前景。
国内齿轮泵行业发展前景预测分析 篇4
国内齿轮泵行业发展前景预测分析
齿轮泵结构简单，加工方便，体积小，重量轻，且有自吸能力强、对油液污染不敏感等特性，因而应用较为广泛。我国齿轮泵的主要缺点是径向液压力不平衡，轴承寿命短；流量脉动大，噪声高。另外，其排量不可调节，使用范围受到限制。
相较于国外的齿轮泵行业，国内的齿轮泵行业有一定的优势也存在着差距。与西方齿轮泵行业相比，我国齿轮泵行业有两大竞争优势：一方面是拥有低成本的竞争优势;另一方面是国内的建筑、石油、石化、环保市场的高速增长及重大调水工程也为我国齿轮泵业的发展提供了重要支撑。我国持续增长的市场空间是国内齿轮泵行业保持优势的先决条件。
我国齿轮泵行业的发展规划目标是科研开发投入占水泵制造业gdp的比重上身超过6%。随着技术的不断发展，齿轮泵产品必将会向智能化的方向发展。
“十二五”期间齿轮泵行业重点攻关、技术改革项目主要体现在三个方面：一方面是，核电枢纽设备的技术研究主要是开展ap1000核主泵枢纽技术研究;二代加技术1000型核主泵枢纽技术研究，核二级、核三级泵枢纽技术研究，百万千瓦压水堆核电用泵的枢纽技术研究及核电用泵技术尺度的研究;另一方面是，石油化工枢纽设备的技术研究包括开展百万吨pta装置用螺杆泵、齿轮泵、高压小流量泵、急冷油泵枢纽技术研究等;第三方面是，开展泵类产品节能机理的研究。
在经济不景气的影响下，钢铁、建筑及其上下游产业来市场萎缩情况严重，这对依赖这些产业发展的齿轮泵行业是一个致命的打击。尽管，经济不景气在一定程度上消极的影响了我国泵阀行业的发展，但也使得泵阀行业内部的弊端也暴露无疑，在市场经济体制下优胜劣汰，得到了很大的改善。因此说金融风暴过后生存下来的企业，充分体现了优胜劣汰的这个市场规律。为了解决当前国内泵业存在的问题，国家也制定了一系列的政策。在这种情形下，国内泵业应抓住机遇，迎难而上。
复合齿轮泵 篇5
关键词：汽车齿轮轴,Ni60基复合涂层,爆炸喷涂,人工神经网络
0 引言
本研究采用爆炸喷涂在汽车齿轮轴表面制备理想涂层, 用来提高其表面的硬度、耐磨性等。爆炸喷涂涂层具有涂层和基体结合强度高、涂层致密、气孔率低、应用广泛、工件热损伤小等特点[1,2]。对于提高汽车行车安全及增强汽车齿轮轴的性能, 延长汽车齿轮轴的使用寿命起到很大作用, 同时有效地降低了材料成本, 在节约资源和保护环境等方面有着深远意义。
1 试验材料、设备及方法
Ni60是高硬度镍铬硼硅合金, 其综合性能极佳, 熔点低, 硬度为58~63HRC, 涂层具有硬度高、耐蚀、耐磨、耐热等特点, 广泛用于汽车、冶金、机械等领域易损部件的修复和保护[3,4], 试验采用的Ni60粉来自浙江冶金研究院亚通焊材有限公司;陶瓷二硼化钛的熔点2980℃, 硬度为40~43HRC, 它是一种极具开发前景的材料, 有较高的强度、耐热冲击性、自润滑性、良好的导电性和抗氧化能力[5,6,7], 试验用的二硼化钛粉来自山东正大青州化工厂;金属钴具有高硬度、良好的耐磨性和韧性, 硬度为49~51 HRC, 广泛应用于航空航天、汽车、冶金、电力等领域来增强基体金属的耐磨性, 或作为磨损部件的修复, 试验用的钴粉选自北矿新材料科技有限公司;金属铬具有固溶强化钝化作用, 能显著提高涂层耐磨性, 硬度为38~41 HRC, 富余的铬容易与碳、硼形成碳化铬、硼化铬, 从而进一步提高涂层的耐磨性[10]。试验用的铬粉来自北矿新材料科技有限公司。
基体材料选用45钢来模拟汽车齿轮轴, 45钢具有良好的综合力学性能, 广泛应用于汽车和摩托车上, 特别是那些在交变负荷下工作的连杆、齿轮及轴类等, 将45钢做成尺寸为8 mm×10 mm×30 mm的试件, 然后对试件进行热处理及喷砂, 热处理后45钢硬度为302HV, 喷砂用来粗化表面[11]。本研究采用中科院金属研究所爆炸喷涂设备, 试验中爆炸频率10次/s, 共喷6 s。使用M-200磨损试验, 试验条件:15#机油润滑, F=10 N, 转速v=200rad/min, 45钢基体在磨损试验条件下的总磨损量为0.0319 g。
采用U63均匀性设计方法进行配比[12], 按最小添加量0%, 最大添加量15%, 采用3%等间隔增加, 即Ti B2、Co、Cr掺有量分别为0%、3%、6%、9%、12%、15%, 完成Ni60中添加Ti B2、Co、Cr的6组样品, 如表1所示。
2 爆炸喷涂涂层的试验结果与分析
2.1 涂层显微硬度的试验结果与分析
爆炸喷涂制备Ni60基Ti B2、Co和Cr复合涂层剖面显微硬度测量结果如表1, 从表1中可以看出:样品 (3) 涂层的显微硬度最高达1030.9HV, 样品 (5) 涂层显微硬度最低只有587.5HV;样品 (3) 、 (4) 和 (6) 涂层显微硬度明显大于样品 (1) 、 (2) 和 (5) 涂层显微硬度。这主要是因为样品 (3) 、 (4) 和 (6) 涂层中Ni60含量达88%, 而样品 (1) 、 (2) 和 (5) 涂层Ni60含量只有67%, 涂层Ni60含量越高, 涂层结合性和致密性就越好, 涂层显微硬度就越高[13];而当Ni60含量一样时, 涂层中硬质相Co也对硬度产生了影响, 随着Co含量增加, 涂层显微硬度也随之增加。
2.2 涂层耐磨性的试验结果与分析
爆炸喷涂后涂层磨损量测量结果如表1和图1, 表1为在45钢上爆炸喷涂Ni60基二硼化钛、钴、铬复合涂层在100 min的总磨损量, 图1为45钢爆炸喷涂Ni60基二硼化钛、钴、铬复合涂层20 min/次, 共磨损5次曲线。结合表1和图1可看出:在表1中样品 (1) 、 (2) 和 (5) 涂层在100 min的磨损量相对样品 (3) 、 (4) 和 (6) 号的较小, 这是由于样品 (1) 、 (2) 和 (5) 涂层的Ni60含量只有67%, 能显著提高涂层耐磨性的Ti B2和Cr含量相对 (3) 、 (4) 和 (6) 增加了。在6组样品中 (2) 总磨损量为0.0061 g, 在6组中最小, 耐磨性最好;而 (6) 总磨损量最大达0.0282 g, 耐磨性最差。从图1可以看出样品 (1) 涂层5次磨损量起伏较大, 在40 min时磨损量最大。样品 (2) 涂层虽然磨损量最小, 但是随着磨损时间增加, 磨损量却逐渐增加, 涂层磨损效果不好。样品 (4) 和 (5) 涂层随着磨损时间增加, 磨损量逐渐减小且趋于稳定, 涂层耐磨性较好, 这是由于磨损初期涂层表面粗糙度较大且有不规则凸起, 接触面积较小、应力较大, 所以磨损量较大, 随着磨损时间的增加, 摩擦表面逐渐磨平使实际接触面积逐渐增大, 因此磨损量逐渐减少。样品 (3) 和 (6) 涂层只磨了20 min就磨到的45钢基体表面, 因为 (3) 涂层中Ti B2含量只有3%不含Cr, (6) 涂层Cr含量只有9%不含Ti B2, 因此样品 (3) 和 (6) 涂层的耐磨性很差。由此看出, 当涂层中无Ti B2或Cr时涂层的耐磨性相对较差。
2.3 涂层组织形貌和元素分析
图2为在45钢上爆炸喷涂验证组Ni60基Ti B2、Co和Cr复合涂层的SEM图像和元素能谱图, 图2 (a) 为验证组210%Ti B2, 10%Co, 10%Cr的SEM图像, 从图2 (a) 中可以看出涂层磨损后磨损表面光滑, 有明显的凸起;涂层有轻微黏着磨损 (少量剥落坑和麻点) 和磨粒磨损 (犁沟) [14]。图2 (b) 是图2 (a) 中涂层磨损面的元素能谱图, 涂层中含有Ni、Si、O、Cr、Fe元素, 说明喷涂粉混合均匀。
根据人工神经网络[15]运算结果, 从中选出3组具有较好性能的元素配比进行验证组试验。表2为人工神经网络计算出的理论预测值和验证组试验结果及误差关系。从表2中看出:人工神经网络预测结果与验证组试验结果相一致, 人工神经网络提供涂层配比与涂层显微硬度和耐磨性之间关系的规律集, 可从中选出综合性能优良的涂层配比范围。
3 结论
在45钢上爆炸喷涂Ni60基二硼化钛、钴和铬复合涂层得出如下结论:
1) 涂层中Ni60含量相对越高, 涂层结合性和致密性就越好, 因此涂层显微硬度就会越高;而当Ni60含量一样时, 随着硬质相Co含量的增加, 涂层的显微硬度也随之增加;爆炸喷涂后涂层相比45钢基体显微硬度提高了2~3倍。
2) 当涂层中含有Ti B2或Cr时涂层耐磨性相对较好;当Ni60含量达到88%时, 涂层耐磨性就会变差;爆炸喷涂后涂层相比45钢耐磨性提高了2~5倍。
3) 涂层磨损后磨损表面光滑, 有明显凸起;涂层有黏着磨损 (少量剥落坑和麻点) 和磨粒磨损 (犁沟) 。
复合齿轮泵 篇6
关键词：机床替代,结构改进,降低成本,缩短周期
1 齿轮轴的结构分析
齿轮轴为复合主减速机的高速轴, 每台减速机上总计有两根。齿轮轴为斜齿轮传动, 速度高, 承载能力强, 齿面硬度要求高, 而且硬度必须均匀。这在埋油淬火机床拆除后, 用传统的手工火焰淬火将无法满足对齿面的高质量要求。在寻找对外厂家后, 不但成本昂贵, 每根至少10万元以上, 而且淬火周期也满足不了生产要求。在此情况下, 考虑能否利用现有的淬火机床, 通过结构改进, 把只能进行外圆淬火机床实现对斜齿齿面的淬火。
2 工艺性分析
因为齿轮轴为斜齿轮轴, 进行淬火时需要同时具备两个运动, 一是感应器沿齿沟的直线运动;二是感应器在沿齿沟直线运动的同时, 因为感应器的高度保持不变, 齿轮轴为斜齿, 因此齿轮轴必须按螺旋角的大小进行回转运动。考虑到在感应器的一百八十度对面加一套导向机构, 利用溜板箱带动感应器运动的同时, 导向机构带动齿轮轴同步旋转, 这样两个运动同步进行, 就可以达到淬火要求。导向原理如图1所示。
3 淬火要领
淬火时有几点需要注意。导向棒的长度一定要足够长, 保证在感应器进入齿沟之前导向棒已经开始导向, 而且在感应器离开工件之前导向棒还要继续导向一定距离;导向棒在高度上、前后、左右在一定范围内能够进行调整, 使之导向顺畅;导向棒材料选用尼龙棒, 这样既不会研伤齿轮轴齿面, 又能够确保导向安全可靠;在导向棒的两端加工出锥度, 便于导向棒顺利进入齿沟进行导向。
4 感应器
感应器是将中频电流转化成中频磁场对工件实行加热的能量转换器。它直接影响工件加热的质量及设备效率。感应器在设计制造适应保证使工件表面有符合要求的均匀化层分布, 高的电效率, 足够的机械强度, 便于安装调整, 操作方便等条件。沿齿沟中频淬火感应器是齿轮表面淬火的重要工具, 其质量与精度的好坏将直接影响齿面淬火的质量与效率。在设计制作感应器时要严格控制各部位的尺寸及精度, 才能满足淬火要求, 提高淬火质量。
沿齿沟中频淬火感应器主要由接缘板、连接板、齿形部分和导磁体组成。接缘板用150mm×50mm×10mm的紫铜板制作。钻3个Φ12mm的孔与淬火变压器接缘板用铜螺栓把合连接。齿形部分用方形紫铜管制作。根据齿形用方形紫铜管制作两匝感应器头部, 使感应器头部外表面与齿面的间隙为2mm。将两匝感应器头部焊接在一起, 将其中一匝在齿形部钻一排Φ1.2mm的孔作为齿面冷却的喷水孔。用5mm厚的紫铜板作连接板将感应器头部与接缘板焊接在一起。导磁体用0.3mm的硅钢片制作。把硅钢片剪切成型后经磷化处理后就可使用。普通感应器长度一般为300mm。齿轮轴在C650淬火机床上装卡后, 变压器接缘板离齿面的距离只有150mm, 因此, 感应器长度必须小于150mm。这就给感应器制作增加了难度。只有把连接板与感应器头部缩短, 还要保证齿形部分和装卡导磁体方便。经多方努力从新制作了一个合适的感应器。
5 淬火参数选择
齿轮轴的材质为42CrMo、模数28、螺旋角11°, 要求齿面硬度HRC45~52.根据技术要求, 采用沿齿沟中频淬火, 调试后确定淬火参数如表1.表淬后实测齿面硬度为HRC47~52完全符合图纸要求。
6 结语