非标准变位齿轮的研制

刘永东，徐继林，王 璇

（兰州石化维达公司，甘肃兰州 730060）

0 引言

兰州石化化工厂高密度聚乙烯装置的关键设备挤压机是从日本进口的设备，在近阶段设备运行时发现齿轮泵转子运行振动超差，运行不平稳且噪声较大，经停车拆卸检查发现齿轮泵转子其齿面大面积点蚀、剥落，点蚀坑深2～3 mm，有两处轮齿折断1/3。齿轮泵转子是高密度聚乙烯装置中挤压机内关键的零部件，进口件费用是国产几倍，且生产到货周期长，急需测绘加工制作以应急生产需要。

1 挤压机工作原理

高密度聚乙烯装置采用国产化的日本三井油化淤浆法聚合工艺。乙烯、丙烯、氢气经预热后与主催化剂、助催化剂一起进入聚合釜，在低压下进行液相聚合反应，产品淤浆溢出后送至离心分离干燥工序脱出己烷，干粉送挤压机造粒工序进行造粒，经掺和、包装，生产出聚乙烯产品。

2 问题分析

（1）检修发现齿轮泵转子有两处轮齿折断1/3，从轮齿断裂处截面分析，原进口件内部可能存在缺陷，在长期运转下，缺陷进一步扩大，引起疲劳断裂。

（2）齿面点蚀、剥落情况分析。当聚乙烯湿饼经干燥工序脱出己烷，干粉送挤压机挤压造粒，齿轮泵电机功率600 kW，物料温度200℃，高密度聚乙烯在200℃时黏度很大，这时转子齿面不断反复受到很大压力和拉力，加剧齿面点蚀和剥落的进程。随着齿面点蚀和剥落的不断恶化，转子在挤压物料过程中受阻、物流不顺畅更加剧齿面的点蚀。

3 进口件测绘及计算

（1）由于没有新的备件测绘，只能对轮齿局部断裂且齿面有严重点蚀、剥落的齿轮泵转子进行测绘（图1），测绘参数：齿数Z=14，齿顶圆直径da=366 mm，齿根圆直径df=268 mm，公法线长度Wk=2=103.4～104.5 mm，实测装置两齿轮泵转子中心矩a实测=320 mm。

图1 齿轮泵转子

（2）计算测绘参数。①模数确定，m=da（/Z+2）=22.875，取标准模数m=22，则a计算=m（Z1+Z2）/2=308，由于a实测＞a计算,故该对齿轮为角变位齿轮。②经过计算确定，计算确定总的变位系数xE=0.616 61，则单个齿轮变位系数x1=x2=0.3083。经过计算，da计算=362.4337 mm，df计算=266.5652 mm，公法线长度Wk=2计算=106.3749。测绘原件数值da实测=366 mm，df实测=268 mm，Wk=2实测=103.4～104.5 mm。从上述数值可以看出，测绘值与计算值出入很多，可见该对齿轮是非标准角变位齿轮。

4 原理分析

（1）采用非标准齿轮的原因。由于该对齿轮各有一个减速机带动旋转，该转子齿轮起的作用并非传递动力、变速、分度等，主要起挤压物料的作用，而啮合齿面并不接触。物料填充在轮齿之间，两齿的侧隙，齿顶和齿根的间隙始终处在等间隙啮合过程中，物料受到极大的挤压作用。因此保证合理的间隙，对挤压效果和产品质量、产量都有很大关系。

（2）根据生产的实际要求，齿轮的侧隙值应保持在1 mm左右，而按计算的公法线长度Wk=2计算=106.3749 mm来加工的齿轮，将无法保证合理的侧隙值。为了保证合理的侧隙值和顶隙值，故将齿轮的齿厚有意减薄，而齿顶圆及齿根圆直径有意加大。

5 准确公法线确定

（1）由于齿轮的齿面有点蚀、剥落等，故不能按测绘的公法线来加工齿轮，因此确定准确的公法线值至关重要。

（2）在计算机上按齿廓形成的原理，模拟做出齿轮的齿面渐开线，并在中心矩a=320 mm情况下啮合（图2）。

图2 齿厚未减薄时齿轮转子啮合情况

此时公法线长度与理论计算值一致，为Wk=2=106.37 mm，但此时齿面之间无间隙，为了保证齿面间隙值为1 mm，需要将齿厚削薄。在计算机上将齿厚逐渐削薄，模拟实际工况进行啮合，最后确定当齿面间隙为1 mm时，测出公法线Wk=2=105.5 mm（图3）。

图3 齿厚减薄后齿轮转子啮合情况

6 材料的选定

对原材料取样分析，进口转子材料化学成份接近国产35Cr-MoA，工件经调质处理，除直径170外，其余各处高频淬火处理。经实践证明，此种材料不十分理想。最后确定选用38CrMoAlA高强度氮化钢，毛坯采用锻造成型，粗加工后经调质处理。机械性能：σb≥1000 N/mm2，σs≥850 N/mm2，δ5≥14%，ψ≥50%，Aku≥71 J，精加工后经渗氮处理，HV≥900，无论综合机械性能，还是表面硬度都比选用35CrMoA要好，经氮化处理后表面还有耐蚀作用，这样对防止齿面点蚀及剥落都有很好的作用。

7 加工难点

（1）由于该对齿轮转子齿形为角变位非标准渐开线齿形，齿顶圆直径、齿根圆直径、公法线值都为非标形，齿面经磨削抛光、处理，光洁度和精度要求都很高。用一般标准齿轮滚刀加工不出满足以上要求的齿形。

（2）由于该齿轮转子模数大而齿数少（Z=14）、直径小，一般齿轮加工机床不能胜任该齿轮转子的加工（超出大模数滚齿子加工范围，大模数滚齿机对齿轮最小直径有限制规定）。

8 制造方案

（1）根据齿形实际值，专门定做非标准刀具，而非标刀具制造难度非常大，且费用很高。经与刀具厂互相探讨，刀具厂专门针对该对齿轮进行非标刀具的设计与制造，这套刀具由3把刀组成，对齿轮轮齿进行组合加工。

（2）滚齿机不能加工该对齿轮，只有在铣床上加工，但在加工时，齿轮如何保证分度准确，这对齿轮的精度非常重要。

设计一套工装胎具，在铣床上加工该齿轮转子，如图4所示，由分度头负责精确分度，由分度头输出端齿轮和转子轴上的同步齿轮进行啮合，来带动齿轮转子转动，进行加工时准确分度。

图4 齿轮转子加工方法

9 工艺路线确定

该转子对材料的要求很高，对锻造工艺有严格限制，锻件按JB/ZQ 4000.7—1986的通用技术要求执行，Ⅴ级合格，取锻造比不得小于3.5，要进行防白点处理。为了防止组织内部有缺陷，工件粗加工后进行超声波探伤，符合JB 4726—2000规定，Ⅰ级合格，为防止表面缺陷，精加工后，所有表面进行磁粉探伤，符合JB 4730—1994规定，Ⅰ级合格。

根据以上的分析，制定转子加工工序：下料→锻造→热处理（防白点处理）→粗加工→超声波探伤→粗铣齿→调质处理→精车→粗磨→精铣齿→粗抛齿面→精磨→磁粉探伤→表面氮化处理→齿面抛光。

10 模拟试验

对加工好的一对齿轮转子，在胎具中进行模拟挤压情况试验，放入橡皮泥对转子间隙、挤压情况进行研究分析，从实际分析结果看，效果比较理想，能满足现场实际工况的要求。