微晶合金技术在机械传动中的应用

2015-12-31祝瑞银

机械工程与自动化 2015年3期

祝瑞银

（中能建华东电力装备有限公司，江苏镇江 212002）

0 引言

随着工业技术的不断发展，工业领域对机械传动的要求也越来越高，就减速类机械装置而言，其主传动部分决定着传动的精度及性能的好坏。本文介绍了一种新型材料——微晶合金在中等转矩机械传动中的应用。

微晶合金是一种金属晶粒细化至微米级的铸造合金材料，这种超微晶粒的合金可以表现出比其他同类合金更加优异的综合机械性能和力学性能、超强的性能稳定性和尺寸稳定性、极好的减摩性和良好的耐磨性。用微晶合金铸造的蜗轮在性能上能够满足减速类机械装置的要求，不仅降低了蜗轮的重量，而且成本比常用的铜蜗轮大大降低。

1 微晶合金的性能及应用

微晶合金是一种锌基合金升级换代材料，在非晶基础上形成的晶粒尺寸为纳米级软磁合金，即纳米晶软磁合金。

在铁基非晶合金中加入促进早期形核的铜和抑制晶粒长大的铌，先用单辊快淬法制取非晶薄带，然后在略高于晶化温度下退火可得到微晶组织。微晶组织由晶粒和晶界两相组成，晶粒占75%～80%，晶界占20%～25%。微晶具有高的饱和磁感，低的矫顽力和铁芯损失。

目前微晶合金主要有以下几类：具有超低减摩系数的微晶合金LZA3805、具有较大PV（PV值表示机械密封的工作能力，同时也可用它表示机械密封的工况负荷）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参数见表1。

表1 常用微晶合金的性能参数

由表1可见，常用的微晶合金材料与普通的合金相比具有优越的特性，所以被广泛地应用于电力电子、机械制造行业等。微晶合金在电力电子行业主要用作饱和电抗器、高频变压器等电子器件铁芯；在机械制造行业主要制造蜗轮、丝母、轴瓦、轴套、滑板和导轨板，用于替代铜合金。

2 微晶合金的强度分析

蜗轮蜗杆传动的失效形式和齿轮传动一样，主要有胶合、磨损、疲劳点蚀和轮齿折断等。由于蜗杆传动啮合面间的相对滑动速度较大，效率低，发热量大，在润滑和散热不良时，胶合和磨损为主要失效形式［1］。

下面以机械传动中常用的蜗轮蜗杆传动形式为分析研究对象，分别对普通材料ZCuSn10P1以及微晶合金材料LZA3805制成的蜗轮进行建模及有限元分析。

现有的三维造型软件已经能够做出足够精确的模型，本文中使用Visual Basic语言编写程序宏，根据蜗轮的基本参数在SolidWorks软件中运行宏生成蜗轮齿形，再应用COSMOSWorks分析软件对其进行应力分析。

相邻齿受载荷作用时齿根应力相互影响，选取3个齿进行分析［2］。首先取模数mc＝4mm，齿宽B＝40mm，齿数z＝50，然后进行约束条件和加载处理，施加的载荷F＝20kN，如图1所示。

根据赫兹公式，齿轮在啮合时，理论上是线啮合，但由于材料的弹性变形是有一定宽度的，为简化计算，根据应力σ＝F/（Sb）（其中，S为接触线长度，b为变形后接触线宽度）可以计算出变形后的啮合线宽度［3］。常用蜗轮材料ZCuSn10P1的屈服应力σs＝375MPa，材料变形后的σ＝0.8σs，接触线长度S＝60mm，考虑到啮合的复杂性及蜗轮材料在变形后应力取值的局限性，计算得到单齿面啮合线宽度b＝0.4mm。

微晶合金材料LZA3805制成的蜗轮屈服应力σs＝430MPa，材料变形后σ＝0.8σs，接触线长度S＝60mm，计算得到单齿面啮合线宽度b＝0.28mm。

进行有限元网格划分，应用COSMOSWorks分析软件对蜗轮受拉侧进行分析，相同条件下常用蜗轮材料ZCuSn10P1和微晶合金材料蜗轮的应力云图如图2、图3所示。由图2、图3可见，在相同的工作环境下，施加20kN同样大小的载荷，普通蜗轮材料的屈服应力值为275.7MPa，微晶合金蜗轮材料的屈服应力值仅为55.15MPa，极大地提高了传动的效率以及稳定性。