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蜗轮蜗杆油胶合承载能力试验研究 摘要 目前，闱际l 还没有蜗轮蜊 l ：f l | l 标准评定台梨及评定试验方法。尤其足n 叫蜗轮 蜗干r 油胶合承载能力试验研究方面，罔外爿刚刚起步，吲内还是空白。闻此， q 内 外蜗轮蜗十f = f l 【产j 标准中均没有台架评定通过指标，严重制约了蜗轮蜗汕的发展 和推广应用。 本文运用摩擦学理沦，通过进行人量的台架评定探索性试验，研究 发蜗轮 蜗杆f i f | 胶合承载能力台架评定试验方法，j 神渺e 基础l 进行】5 种不同眦力的州轮蜗 杆油的胶合承载能力台架评；芷试验干试验后蜗轮齿l 面的表玎f f 能谱分折，以考察涧洲 油、添加剂对蜗杆传动胶合承载能。的影响结果。 试验研究结果表明：本文研究丌发的蜗轮蜗打油胶合承载能力台架训7 定万浊具 有较好的重复性和区分性，能够满足评定各种蜗轮蜗枰汕胶合承载能力的j 露要；添 加剂的不i 叫类型及不同复配形一剥蜗轮_ l j i 的胶合承载能力彳f 符较i ! j j 昆的影响；n ：阳 制蝌轮蜗朴汕l ，遁川：蜗轮蚶朴汕f 一添月l l 荆，成以汕r l 刑为l ：剂，复加少n 性 能较温和的极压抗磨剂。 本文的研究结果刘蜗桐g 动的摩擦学设讣及新型润滑洲i 的丌发具有实际指导意 义。 关键词：蜗轮蜗朴f l l l胶合爪载能力极爪抗酶刺叭r l ：剂挺| f | f 分十 t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h es c u f f i n gl o a dc a p a c i t y 0 fw o r mg e a r0 i 1 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h e r ea r en ot e s tm e t h o d8 n dr i gt y p i c a l l yf o re v a l u a t i n g w o r mg e a ro i li nt h e1 r l d e s p e c i a l l yt h ew o r kf o re v a l u a t i n gt h es c u f f i n g 1 0 a dc a p a c i t yo f1 r o 珈g e a ro i li sj u s tb e e nc a r r y i n go u ta b r o a db u tn o ta t h o e s ot h e r ei sn 0t r a v e r s ei n d e xo ft h ee v a l u a t i o nr i gi nt h ed r o d u c t s t a n d a r do fw o r mg e a ro i li nt h ew o r l d ，w h i c hr e s t r i c t sb a d l yt h ed e v e l o p m e n t a n dt h ea p p l i c a t i o no fw o r mg e a ro i l b 8 s e do nt h et r i b o l o g yt h e o r y ，t h ee x p e r i m e n tm e t h o do ft h es c u f f i n g 1 0 a dc a p a c i t yo fw o 埘g e a ro i l1 r 8 ss t u d i e di nt h i sp 8 p e rb y e a n so ft h e 1 a r g en u 血b e ro fg r o p i n ge v a l u a t i o ne x p e r i m e n t s ，a n db a s e do nt h et e s tr e s u l t s o f _ o r mg e 8 rd r i v e1 u b r i c a t e db y1 5t y p e so i l sa n dt h es u r f 8 c ea n a l y s i so f w o r mg e 8 r8 f t e rt h ee x p e r i m e n t 8 ，t h ee f f e c to fo i l 88 n da d d i t i v e so n a n t i s c u f f i n g1 0 a dc a p a c i t yo fw o r mg e a rp a i rw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ee x p e r i m e n t a lm e t h o do ft h es c u f f i n g1 0 8 d c a p 8 c i t y o fw o r m g e 8 r o i lh 8 sa g o o dr e p e a t a b i l i t y a n d d i s t i n g u i s h a b i l i t y t h em e t h o dc a nm e e tf u l l yt h en e e do ft h ee v b l u a t i o no f t h es c u f f i n gl o a dc a p a c i t yt oa 1 1k i n d so fw o r 皿g e a ro i l t h ed i f f e r e n tk i n d o fa d d i t i v e s8 n dv a r i e dc o n t e n t so fa d d i t i v eh a y eo b v i o u si n f l u e n c eo nt h e s c u f f i n g l o a dc a p a c i t yo fw o r mg e a ro i l f o ri x i n gw o mg e a ro i l ，t h e a d d i t i v e st h a ts u i t a b l ef o rw o r g e a ro i ls h o u l db em a d eo fa n t i 1 r e 8 r b d d i t i v ew h i c hi st h em 8 i n l yc o m p o n e n ta n da1 i t t l ee x t r e m ep r e s s u r ea d d i t i v e w h i c hh a sag e n t l ep e r f o r m a n c e i tc a nb ed r e d i c a t e dt h 8 tt h es t u d yr e s u l t sa r eu s e f u lt ot h ed e s i g n o f 可o r mg e a rt r a n s m i s s i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fn e w t y p e1 u b r i c a n t s k e y l r o r d s ：w o r mg e a ro i l ， s c u f f i n gl o a dc 8 p a c i t y ， e pa d d i t i v e ， a n t i - w e 8 ra d d i t i v e ， s u r f a c ea n a l y s i s 蜗轮蜗杆汕胶乐救能山试验究 第一章绪论 1 1 蜗轮蜗杆传动的发展及其润滑 1 1 1 蜗轮蜗杆传动的发展概况 从二十世纪2 0 年代起，蜗轮蜗杆传动技术及其啮合理论得到r 迅速地发展，对 已有的蜗轮蜗杆副进行了改进，提高了承载能力、使川寿命和传动效率，i r l 时发l 州 j ，很多新型蜗朴传动。如二：久包络j 已曼侧柱蜗朴剐、偏胃蜗杆剐、圆弧蚓牲蜗杆及 其各种变态形式，为蜗杆传动技术晌发展开辟了道路。五十年代初两德i t le n ( 】e r 公 司把尼曼( g n i e m n n ) 教授“i “1 面齿倒柱蜗杆剐”的研究成果以“c a v f x ”商标投放 市场，六十年代日本三菱公司购进西德“c a v e x ”型蜗轮蜗杆专利，从此两围对“c a v e x ” 型蜗轮蜗杆不断改进，水平刁i 断提高，在国际市场上有较强的竞争力。包络环面蜗 杆传动近年来在我国发展十分迅速，中尤以平而次包络和二次包络环衙蜗杆传 动最为突出。1 9 7 1 年我围冶金湘门创制成功的平而一j 次包络环面蜗杆传动，具有承 载能力大传动效率较高和蜗朴可以磨削等优点。现已大量应用于冶金设备，并在造 船、采矿、机械、建筑、天文筹各个行业中使用，受到普遍欢迎。表明我同的蜗十f 制造水平已达到了一个新的阶段。 随着材利技术、润滑技术、计算机技术等一系列新技术的发展，大大促进了蜗 杆传动技术的进步，诸多新型蜗杆传动相继问世，并在现代工、j k 巾广泛应用。f 1 前， 蜗杆转速可达3 0 0 0 r m n ，蜗轮转矩可达2 0 ( ) 0 k n m ，网周力可达8 0 0 k n ，阿仔可达 2 ( ) o o n l n l 以l ：； ，心距j j 厶l2 ( 】【) i n ，蜗十l 。头数i i n 厶l ： ：能够满足多种砹备用i 1 dlb 条件的需耍。 1 1 2 国内外蜗轮蜗杆油发展概况 1 9 4 8 年美围石油学会( a r l ) 把蜗轮蜗杆汕列入传动润滑汕晌分类。1 9 5 7 年t 菱石油公司、光、) i 司、丸阵、i | f 石、莫比尔、壳脚、埃索、通用等行汕公司州 继推山蜗轮蜗杆专用商品汕。i 9 5 8 年日本防卫厅公布了蜗轮蜗杆汕暂定标准。1 9 6 2 年美国制订了m i l l l5 0 1 9 c 复合油军用规格，同年还公布了m 一i 一1 8 4 6 8 椒j h 型蜗 轮油规格。1 9 8 2 年又熏新修订颁布了m i 【。l 1 5 0 1 9 e 6 1 3 5 及i 。一【1 8 4 8 6 b ( ( ) s ) 规 格标准”1 。 我国蜗轮蜗杆油的研究始于1 9 7 7 年，到r8 0 年代初，兰炼、沈阳化r 厂和茂 名石化公司相继研制出了蜗轮蜗杆油。1 9 9 1 年兰炼负责起草提了蜗轮蜗杆油的 ? 业标准s h 0 0 9 4 9 1 “。但该标准中没有台架评定项目，中和值指标略高，抗氧化性能 指标略低。为此，中石化总公司在“八五”期川组织围内人大炼油厂及郑州机械研 究所进行联合攻关，研制出 7 具有团际水平的蜗轮蜗杆汕系列产品”“。 蜗杆传动由于齿而问的滑动摩擦较大且齿的接触时问比齿轮传动相埘较长，摩 擦磨损情况突出，发热较严重。因此，升i 宜采用一般齿轮油米润滑。一般要求蜗轮 油的粘应较大，_ _ ：仃较t 的粕度指数，汕r l ：耍好，f f i f j i 较低。特别足汕j ，的添加 女l 】业j 止介q 4j 譬辣川j 1 ：蛛。出求，凯蚶f 】i 迫rn f jj 几 殷i r l - f j 邪i 成j 簪、 ，lj 彳p 1 f 止，j 士 要划锏1 ；起腐蚀作朋。 我国目前将蜗轮蜗杆汕分为普通型( i 一c 胍) 和极压型( l - c k e p ) 两人类“j 。其 中，l c k e 主要用r 承受轻负* 6 ：、传z 山r i - ，f 稳尢冲击的蜗轮蜗杆剐。i 。一c 肌 忙要用 于承受重负荷、传动中有振动和冲击，起动频繁的蜗轮蜗杆别。 蜗轮蜗杆油胶爪栽能力试验圳究 1 2 蜗杆传动的主要失效形式及承载能力计算 1 2 1 蜗杆传动的失效形式 蜗杆传动的失效形式和齿轮传动类似，亦有齿而点蚀、磨损、胶合以及轮齿的 弯曲折断。其中尤以点蚀利磨损最易发牛，胶合现象也常出现。这是由于蜗杆传动 啮合效率较低( 类似螺旋传动) ，滑动速度较大，而当涧泪不良时容易发热等原因引 起。蜗轮轮齿的弯曲折断亦偶有所见，往往是山齿丽磨损过大齿厚减薄过多或是安 装不良造成严重偏载所产生。 蜗轮轮齿一般用铜合金或铸铁制成，其强度远不如钢制蜗杆，日蜗杆螺牙成螺 旋状强度较大，剀此蜗轮轮出是两者巾的薄弱环节。 如果征设汁| 1 _ 】能合坪地选择齿形羽l 传动参数，采刷良好的润滑方式不敞热措施， 选用抗磨和抗胶合的润滑汕，选配适当的利判组合以及提高加： 和安装精度，则上 述失效情况可以得到改善或适当避免。 1 2 2 圆柱蜗杆传动的承载能力计算 蜗轮轮齿形状在沿齿宽方 柚的各个截而上各不相同。齿丽瞬时接触线呈曲线状， 变化规律十分复杂。沿接触线上再点的曲率半径相列于齿宽亦是变化的，载荷分布 远较其它齿轮传动复杂。迄今还难以用严密的数学解析方法建立蜗杆传动承载能力 计算的珲论公式。实用上如美围a g m a 、英囤b s 等计算标准，也大多足根据工程实 践经验和试验验证归纳出的半理沦、半经验性计算式，在一些影响承载能力的主要 参量上用实验统计得到的指数表达。“” 1 9 9 5 年5 月发布了1 s ( ) r c 6 0 s c i w g 7 n 1 0 2 2 1 ，r e v ( d t n 3 9 9 6 ) “j = | | | 交角为 = 9 0 。的圆柱蜗杆副的承载能力计算”“1 ，该标准足圆柱蜗杆传动承载能力的汁算方 法，不包含任何用来确定几何尺寸、利料选用和润辩的规定和建议。涉及的承城极 限包括磨损、点蚀、蜗杆变形、断齿和温度。l | i - | 于刘胶合承载能力所作的研究尚十 分有限，该标准无法提供胶合训算方法。该标准中的计算方法，一部分占j ：试验蜗 轮箱的试验结果，另一部分基二】二制造经验。试验结果来自各种条件l 、i 的试验平i i 使心 经验验证。那些j 击丁：制造经验的汁第方法考虑了土要影响系数，但尚来从机胛 ：i 正 实。标准中汁算过程中使j | j 的公式【i 王 _ | _ 】此以绝刘形式( 绝对计算) 或以棚刘形式( 年 对计算) 而出现。 我围在蜗杆传动承载能力汁算方而的研究还丛木上处于空白，到e i 前为1 l = 仍没 有制订圆柱蜗杆副承载能力计算方法同家标准。 1 3 蜗轮蜗杆油试验台架及试验技术的研究现状 1 3 1 蜗轮蜗杆油试验台架概况 通过j 。泛调研及同际联机检索发现，蜗轮蜗杆油专用评定台架在囤内外还是空 白，同n _ j 也没有一个统一的公认的蜗轮蜗杆亍| | | _ 陆能评定试验方法。根据有必文献介 绍”“”及调研，围外如美匡i 队t ( ) n 公司、r a d 【c ( ) n 公司、义萸公司、a c h e s o nc o i l o id s 公司、德围慕尼黑：小l k 人学：l ? z ( ；齿轮试验室、f i 小儿州大学等均有门己没计i | j 1 j 造的 蜗轮蚍朴试验f 。b 聆fr 的仃灭竹况简i 、l 介川如卜： 美斟b a t o n 公司的兜蚺 描兰蚺轮蜗朴试验台( c w ( ；) 。 该试验台的中心距为3 0 1 ，8 mm ，输入功率为1 1 9 2 6 k w ，传动比为l l ：l ，具有温 控装置。先用参考汕跑合，然后逐级加戤直至达到1 5 0 的额定负1 ；：。丰婴进行效率 和齿而点蚀试验。数小时测一次效率，效牢下降3 ，或者点蚀超过齿而而积的5 0 蜗轮蜗杆 | i 胶，r 找能力试验埘究 则终止试验。 美国r a d i c o n 公司的2 5 0 小时蜗轮蜗杆点蚀试验台。 该试验台利用功率封闭扭矩加载试验台，试验分为两个阶段。第一阶段为试f j i 跑合。第二阶段为萨式试验，功率为8 ： 马力，转速为1 0 0 0 r p m ，油温为9 0 恒温， 先运转1 0 0 小时，然后每5 0 小时停车一次，检查齿而点蚀情况和侧隙。0 j ：遇异常损 坏，虽不到2 5 0 小时，亦停j l 试验。 美吲艾莫公司戴若德蜗轮分厂蜗轮蜗f i ：试验台。 恢试验台为丌式试验台，中心距为1 2 5 m m 、传动比为2 9 ：3 ，转速为l7 5 0 r p m ， 额定功率为2 5 8 马力。试验时不经初期跑合，进行5 0 0 小时连续试验，测量效率、 温升和磨损，舭察齿丽点蚀情况。 美国 c h e s o nc ( ) 1 1 ( ) 川s 公司的蜗轮蜗杆试验台。 浚试验台的传动比为3 ( ) ：1 ，功率为1 5 马力，转速为1 7 2 0 r p m ，输小转矩为 1 1 3 n m ，油温控制在9 5 以下，试验程序为： a ) 跑合期：试验用油量0 5 升，在扭矩为5 5 n m 的条件下跑合至温度平衡( 小 于9 5 ) 。逐级加载直至1 1 ：3 nm ，同样保持汕温不超过9 5 。在扭矩达到1 1 3 n m 时 计算效率。 b ) 性能试验：重新换汕，在扭矩为1 1 3 n m 和温度低于9 5 的条件下进行试验。 试验过程中自动采集数据，经计算机处理打印结果。测试参数是温度和效率。 德国慕尼黑工业大学f z g 齿轮试验室的蜗轮蜗十丁台架。 该研究所在3 种规格的电封闭蜗轮蜗杆试验台，其中心距分别为6 5 】1 1 n ，1 0 0 m m 和1 6 0 m m 。试验分短期和长期试验。 短期试验的目的是检测磨损和效率。试验程序为： a ) 分载荷级跑合，每级l 小时。 b ) 运转试验，转速分别为15 r p n 、1 5 0r p m 、5 0 0r p m 和15 0 0r p i n ，汕渝为8 0 恒温。在转速不变的情况下分7 个级别加载试验。每级试验2 0 个小时。 长期试验的| = i 的是进行点蚀试验，试验程序为： a ) 准备阶段，在低载荷下的短时运转，检查接触掰痕，要求蜗轮啮端接触斑 痕达5 0 7 0 。 h ) 不分级的加载试验， i | j 城荷立即加罕额定负荷。记录点蚀发牛情况。 h 本九州人学蜗轮虫呙杆试验台。 陔试验台为封闭功率流试验台，中心距为5 0 7 9 m m ，传动比2 5 ：2 ，蜗杆转速为 1 8 0 0 r d m ，蜗朴材料为铬钔钢，蜗轮材料为锻造磷肯俐，采刖自l i 浴润滑，汕：建为2 升。 试验程序为： a ) 跑合期：分级加载( 窄载、2 马力、8 马力、i d 马力、2 0 马力) ，仡每缴裁 荷下跑合3 小吲。 1 】) 一p 试验：，l i1 1 i j 州j 拽简r 运行2 【) 小时，接甜仙2 5 力找0 ：ri i 运 2 【) 小时，然后重复次，至此共计8 0 小时。最后在2 8 马力载荷下运行2 0 小时，检测 项目包括温升、效率、磨损、点蚀等。 我国的蜗轮蜗杆台架基水上是在七十年代术期，随着新型蜗杆传动f i j 制f 需要 胁建立起来的，到了八l 年代干j 期，随着大型俐铁企业和矿山建设的发展，兰州炼 油厂、沈阳化r 厂和茂名石化公司等单何就利片】这些蜗轮蜗杆试验台来进行油品的 姒轮蜗朴f i i i 胶水z 扼能j j 试验 i j | 究 评定。评定项目为效率及温升，无法评价蜗轮蜗杆汕的胶合承载能力。所f h 的评定 台架主要是郑州机械研究所、太原工业大学、北京工业大学和天津机械设计研究院 自建的蜗轮蜗杆试验台。除了述几个单位以外，哈尔滨工业大学、重庆大学、首都 钢铁公司等单位也都有自己的蜗轮蜗干t 试验台或产品试车台”“”1 。 上述固内外现有的一些蜗轮蜗杆试验台均不是专门为评价润滑油而设训。的，其 主要用途足用于评价本企业、公司内部蜗轮蜗杆副产品的阽能。由于油鼎研究发展 的需要，有时就借助这些台架米进行汕品的研究。其主要测试项目是效率、温升、 点蚀和磨损。但均没有考虑汕品的胶合承载能力试验，因此不能有效地评价油品的 极压性能，严重制约了蜗轮蜗杆油的发展和推广应用。 1 3 2 蜗轮蜗杆油试验技术研究现状 在蜗轮蜗卡下油台架试验技术方面，d 州3 9 9 6 “轴交角为= 9 0 。的网柱蜗杆副的 承载能力计算”“0 1 等固外资料表明，德国和美国等在蜗轮蜗杆胶合承载能力台架试 验方面所做的工作尚十分有限。在国内，有关单位曾对蜗轮蜗木t 油的效率台架评定 试验技术方面丌展了一些r ：作，但在蜗轮蜗杆油胶合承载能力试验研究方而还处】二 空白。有关情况如下： 郑州机械研究所、太原 、i k 大学等利用自行研制的蜗轮蜗奉t 试验台为国内响 关炼油厂研制的蜗轮蜗杆新汕品进行了传动效率及温升台架评定刘比试验”。 中幽矿业大学、首钏机械厂、重庆大学及天津机械没计研究院先后丌展了“i 严 面二次包络环而蜗杆传动涧滑汕性能的试验研究”“”对蜗轮蜗杆油品进行了效 率、温升等对比试验，为，f 而= _ 次包络面蜗杆传动，合理选择现有的国产涧滑油及 今后油品研制丌发提供了参考依据。 北京理工大学和首钢机械r 进行了“润滑a 0 粘度列蜗卡| = 传动效率、发热的影 响”“”研究工作，根据粘度相同的润滑油( 即牌号相i 司) ，其润滑效果不同的试验结 果所表明的润滑油粘度( 牌号) 不能n i 确反映其润涮“肚能，提h 了探讨涧滑油料度 对蜗杆传动效率、发热的影响，必须以粘度指数一致为f j 提。 兰州炼油厂。石化研究院利用四球机进行了蜗轮蜗杆油配方规律陀的试验研 究”“，在实验室里对各种类把添加剂的筛选和加入量的考察。尤其是对沁e e 剂、抗 磨剂的选择，加入量的确定，进行了不同批次的考察。 上海炼汕研究所根据摩擦系数测定法在叫球4 j ：进行了蜗轮蜗杆汕川摩 擦改进剂应用研究“”，试验结果表明蜗轮蜗杆汕品的摩擦改进剂应是低酸碱值、高 热失重温度、性能较温和类；而极捱剂的：l j l 入在一定程度卜川降低蜗轮蜗杆汕的 传动效率，但可改善其抗胶合性能。 中科院兰州化学物理研究所、武汉材制保护研究所、清1 大学、雨庆后勤工 挫一学院、1 ，科院成琊有机化。、研究所及郧州机械训，( 所等i 五，f 持助符4 _ i | l 先进的农 而分柝t 具，在摩擦磨损试验机或齿轮i i r | = 验机上刑各种 | ! i j 滑汕添加剂，祚不问条件 l i 所生成的边抖腆的结构和作j h 机耻进行了广泛的研究“、“”“。 1 4 本课题的提出及技术思路 蜗轮蜗杆油胶水载能力试验研究 1 4 1 研究背景 蜗轮蜗杆传动装置山于结构紧凑、传动比大、传动平稳等优点，获得了广泛应 用。但山于它的传动效率偏低，容易发热，易发斟i 胶合等失效问题。一旦蜗杆副发 生胶合，会造成较软的蜗轮齿面材料的快速剥落，同时引起功率损失增加，振动、 噪声增大。如果胶合现象得不到及时制止，会造成严重的断齿事故。因此，使用性 能优良的润滑油就成为解决问题的关键，它能提高蜗杆传动的效率，并抑制胶合的 发牛。 润滑汕、添加剂在提高齿轮承城能力、使j 4 j 寿命等方面的作j j ij 已i j | 起人们的 重视，在这方面国内外进行的研究工作较多”“”，目前国际上及国内均仃了统 一的公认的齿轮汕胶合承载能力评定台架及评定方法”“”“。但到目f j i _ 为l f ：，固 际上还没有一个统一的公认的蜗轮蜗杆油评定台架及评定方法，因此，国内外存研 究润滑油、添加剂对蜗杆传动效率、胶合承载能力方面丌展的研究工作较少。特别 是对于蜗轮蜗卡t 油胶合承载能力的试验研究，国外刚刚起步，国内还是空| _ 1 。 “八五”期间，中石化总公司组织国内六大炼油厂( 兰炼、上炼、成名石化、 大连石化、燕山石化、大庆石化) 和郑州机械研究所联合攻关研制出了具有国际水 平的蜗轮蜗杆油及蜗轮蜗杆油评定台架”“1 ，从而具备了深入全面地研究蜗轮蜗打 油胶合承载能力试验方法及润滑油、添加剂对蜗杆传动胶合承裁能力影响的条件。 1 4 2 研究目的 本课题的研究目的是研究丌发出蜗轮蜗杆汕胶合承载能力台架评定方法，并在 此基础一 二进行蜗轮蜗f l 干油胶合承载能力台架评定试验和试验后蜗轮齿面的表面能谱 分析，以考察涧滑汕、添加剂对蜗杆传动胶合承载能力的影响。浚项月的研究方法 可继续用于其它项目的丌发研究工作。例如改变蜗杆副利料、齿形、热处理j 。艺等 进行蜗杆副承载能力的试验研究。 1 4 3 技术思路 蜗轮蜗f | ：油胶合承载能力评定力。法的研究内容包括：确定试验研究方案：台 架试验参数的选抒计算；蜗轮蜗卡t 剧材荆的选择；试仆的跑合；评定方法的确定： 胶合评定方法重复性试验等。 选择6 种添加剂( 3 种撇压抗磨剂耵i3 种油性剂) 调制池1 5 个不刚配方的蜗 轮蜗杆油，以考察不同添加剂类型和含量刑q 蝎轮蜗朴传动胶合承载能力f 门影响。 利用先进的表面分析披术手段，划台架试验后的蜗轮齿面进行表嘶分析，研 究不同添加剂在蜗轮剐齿而l 的牛成物，束分析其各自的润滑机理，为洲眦。肚能优 良的蜗轮蜗十t 油提供借鉴。 本项研究紧密结合工业q ! 产实际其研究结论实用性很强，为丌发、研制、l 产、应件】蜗轮蜗杆油新产品及提高我国蜗轮蜗杆装置及其所用油品的摩擦学技术科 研水平提供试验依据。 蜗轮蜗杆油胶台，r j ) j 能力试验1 i j | _ 究 第二章w l 1 0 0 蜗轮蜗杆油评定台架及试验参数的选择 2 1 前言 蜗轮蜗杆油专用评定台架在国内外还是空白，同时也没有一个统一的公认的蜗 轮蜗杆油性能评价试验方法。因此，目前国内外蜗轮蚺杆油的技术指标中均没有台 架评价通过指标，严重制约了蜗轮蜗杆油的发展和推广应用。为了适应我围发展蜗 轮蜗科：油系列产品的需要，“八五”期间，中l ：目石油化工总公司组织郑州机械研究 所和国内六大炼油厂联合攻关研制蜗轮蜗杆油评定台架”1 。该台架研制工作历时近5 年，于9 5 年1 2 月通过中石化总公司组织的“八五”攻关专家鉴定，鉴定意见认为 该台架设计合理、结构紧凑，采用多项先进技术，实现了自动数据采集和汉化菜单 式评定程序管理，重复性和区分性好，操作准确方便，具有新颖性、创造性和实用 性，达到了九十年代国际先进水平，填补了国内外蜗轮蜗杆油评定台架的空白。该 项目获中石化总公司科技成果三等奖，并获得国家专利。 2 2w l 一1 0 0 蜗轮蜗杆油评定台架简介 2 2 1 研制概况 目前国际上已有了统一的、公认的用于评价齿轮润滑汕承载能力的心( ；齿轮汕 试验机及其试验方法。相应的围际或困外标准有】s o f l 儿s 1 4 6 3 5 一l 、d i n 5 13 j dt e 、 i p l 6 6 7 7 及c e c 一0 7 一a 一7 l 等。我同也等效采用d i n 5 1 3 5 4 t e i l ，制订了相应的齿轮 【| 1 承 载能力试验力法专、i k 标h l is i i t 0 3 0 6 9 2 。f z g 齿轮汕试验机的结构示意图见图21 。 它由电机l 、陪试箱2 、加载离合器3 、弹性轴4 、试验箱5 、试验齿轮6 和陪试齿轮 7 组成，足封闭功率流型试验台。电机1 能量用于克服摩擦损失。该试验台采用静态 机械杠杆式加载，在加载离合器3 施加力矩，并利用弹性轴4 的弹性变形保持力矩， 使运转变得平稳。由于该台架没有转矩测量装置，所以只能评定齿轮油的胶合性能， 不能评定齿轮油的效率指标。 图2 一lf z ( ：撕轮汕试验机 构示意图 经过广泛侗研、考察及汁算机同际暇机检索发肌，专门川。r 订价喇轮蛐朴汕一r 作性能的评定台柴在国内外还足空白。目前国内外现有的一些蜗轮蜗杆试验台的主 要用途是评价有关企、瞅公司的蜗轮蜗杆副的产品性能，不足f n 来评定蝌轮蜗杆汕 蜗轮蜗杆汕胶台球加能力试验 i l 究 品的专用设备，有时由于测试油品性能的需要就借助这些台架进行蜗轮蜗杆；1 | j 效；棼 指标的评价。因此，这些评定方法有如下一些缺点： a 试验台体积大、结构复杂、影响评油的因素较多，试验结采不稳定； b 试验台的规格、蜗轮蜗杆副试件的参数、齿形、材料及试验程序均不相同 其评定结果难以比较： c 没有考虑胶合试验，不能有效评价油品的极压，陆能； d 试验沿用蜗轮蜗杆副的试验方法，测试效率、温度和点蚀，费工费时。例如 美国r a d i c o n 蜗轮蜗杆试验要做2 5 0 小时，美国戴若德蜗轮蜗杆试验要做5 0 0 小 时。 借鉴f z g 齿轮汕试验机及其试验方法，在进行大量探索性试验的丛砌上，郑州 机械研究所研制w l 1 0 0 蜗轮蜗杆汕专用评定台架，用于测定蜗轮蜗杆油的效率、 胶合、磨损、温升等性能。 w l 1 0 0 蜗轮蜗杆油评定台架的结构示意图见图2 2 ，其实物图见旧2 3 ，其主要 技术规格见衷2 1 。 1 72 2 幽2 2w l 1 0 ( 川蚺轮汕吖定台架结构爪虑恪i 蜗4 它蜗仟汕胶台乐j j 能j 试验训究 图2 。3w l 1 0 0 蜗轮蜗杆汕评定台架的实物图 表2 1w 【- l o ( ) 蜗轮蜗杆汕评定台架的主要技术姚格 电机功率( k w )2 6 4 5加载范围( n m ) o 1 0 0 0 电机转速( r p m ) 9 7 0 1 4 6 0 2 9 月n 载精度( n m )3 l o 中心距( m m )1 0 ( ) 可控油湍下限( )室浦卜一l5 ( ) 传动比 4 0 ：1 温控精度( ) 1 油箱容量( l ) 4 5 测试项目效率、胶合、温 升、磨损 控制方式手动自动外形尺司( n l m ) 1 5 0 0 1 5 0 0 ( k x 宽高) 9 8 0 2 2 2 评定台架的工作原理 w l 一1 0 0 蜗轮油评定台架为功率流行放式试验台( 如图2 2 、蚓2 3 所示) ，川三 相异步电动机作为动力，功率由电机端输入，由加载 端消耗。利用磁粉制动器加 载，山计算机自动凋牲稳流r u 源的i u 流以实现动态无级加载。埔过温度1 0 感器、j ： 矩转速传感器和转矩转速仪进行信号1 输，计算机实现数抓适时采集，处删、作 罔和 j 印，l 代验过秤f | 0 j = l ；f ! 作控制及动蚧j t 。 l u 。山l 【为台架抛供z 力j ，使i 验台架h 述返i ：0 ，试验为趟负付铷化运仃试验， 此f 电动机助牢j 衄选川技人功率。 输入和输出转速转矩传感器是为了取得蜗轮蜗杆箱输入端利输m 端的转速值和 转甜i 值的i 乜信号，”将l u 信弓送到 i 竹机控川部分，绛过处理状锝试验的转述、轼 矩和微率值。转述转矩f 内测量采用磁l u 式：f _ 1 1 位差转速转矩传感器，其特点是测量准 蜗轮蜗杆汕胶台乐j j j 能山试验州究 确，安装调整灵活方便，并配有二次仪表。为满足台架评定要求，保亚测试数据的 可靠性，转速转矩传感器每两年应进行一次标定。 磁粉制动器的功能是产生阻力矩，使试验箱中的蜗轮和蜗卡卜 ：负荷运转，蜗轮 蜗杆的负载就是磁粉制动器的阻力矩。磁粉制动器的工作原理是在激磁电流作用下， 使定子和转子之间产生摩擦，从而形成阻力矩。它具有结构简单、操作方便、运转 平稳的特点，可实现空载起动，并能在运转中改变转矩的大小，最低转述可达侮分 钟l 转。又由于磁粉制动器的激磁电流和传递转矩在一定范围内为线性关系，此 加载精度高、波动小，还有响应速度快，有利 二计算机自动控制的优点。 试验箱是进行蜗轮蜗杆油评定的主体部件，试验蜗轮位于蜗杆的上力，测温传 感器和力热器位j ：蜗杆的下方。蜗轮蜗杆汕是加入到试验箱内进行评定试验的。在 试验箱内，蜗轮蜗杆在试验油的润滑卜带负荷运转，通过测量试验汕的效率、胶合 及磨损，来确定试验油的性能指标。 计算机的作用是实施对评定台架的自动控制，通过屏幕汉化菜单式人机对话， 对试验过程数据进行采集、处理、作图、打印和显示。 计算机通过两个串行口接收转速转矩值，根据数值检验试验台运行状态。如不 难常，试验机自动停机保护，f 常则剥。数据进行处理、显示和记录，并根据数值的 变化对试验载荷进行动态凋整。 计算机接收扩展槽中的测温板温度信号，以便通过d a 板对试验箱内油温进行 控制。计算机通过d a 板刈试验机的起动、加热、停止加热、停机进行控制。 转速转矩测量仪是与输入和输山转速转矩传感器配套的仪表，作用是将传感器 送来的相位信号转换成数字信号，并显示出来，其通过串行几与计算机连接，为计 算机输送转速转矩数值。 测温板的作用是将蜗轮蜗杆试验箱中的测温传感器送来的电信号转换数字信 号，送给计算机处理、显示和记录。测温板温度测量范围为一2 0 0 4 0 0 ，灵敏度为 o 0 6 2 5 n ，测量通道为8 路。该板采用数值校零，用计算法和连续式 线性a d 转换法进行线性化，从根本上消除了放大器和a d c 漂移产生的误差，稳定性好，其 精度取决于传感器的精度。 2 2 3w l _ 1 0 0 蜗轮油评定台架关键技术及其特点 w l 1 0 0 蜗轮蜗杆油评定台架的关键技术是要保证评定台架设计的先进性、合理 性，台架制造的高精度，确定出标准试什利标准评定方法，采用先进可择的加载堤 置和转矩转速传感器，利用微机程序控制实现同步测量和机电一体化，以1 _ ! 证开定 台架具有较好的重复性和区分性。 w l 一1 0 0 蜗轮油评定台架有以下几个特点： 结构紧凑，安装调试方便： 浚试验台是专门为评定蜗轮蜗杆油而设计的，能够进行苛刻条件下的强化运 行试验，并为此丌发研制出了标准试仲及标准评定方法： 利用先进的加载方式( 采用磁粉加载，可实现动态兀级加载) 载荷波动小， 比机械、液压、f 乜封闭加载省去了一大套车l | i 助设备； 利用微机程序控制，实现了机电一体化，数据同步测量，适时采集，处理自 动化，吱现j 实验过程的i ：i 动监控年一& 障保护。1 i 仪抛曲丁试验梢皮，山丸服 r 数 据人工采样时，所引起的不同步误差，排除了人为影响因素； 该台架只有温控装置，可满足各种试验对温度的要求。 2 2 4 推广应用前景及社会经济效益 蜗轮蜗杆传动广泛应用于0 i 汕、化t 、机眯、冶金、起重运输等行、i k ，衙良女， 蜗轮蜗杆油胶合承功能力试验研究 的润滑可以提高蜗轮剐承载能力、传动效率及使用寿命。 1 于目前国内外还没有一 个标准的统一的蜗轮蜗杆油评定台架及评定方法，严重制约了我因蜗轮蜗杆油的研 制生产及推广应用，使得蜗轮杆油质量水平不高，大量使用劣质油品及代用油品， 由此造成的损失是惊人的。 w i 一】o o 蜗轮蜗杆油评定台架的研制成功，填补了国内外蜗轮蜗杆油专用评定台 架的空白，为我国蜗轮蜗杆油的开发研制及推广应用提供了先进的评定台架，以提 高并保证油品质虽，使之符合质量标准和使用要求。同时在保证质量的前提下，挖 制添j 剂合适的j | j 1 i 入量，避免不必要的添肌削浪赞，降低汕品，【i 产成本，侄降低添 加剂总j 【1 入量方而赶上困际先进水平。 该评定台架为蜗轮蜗杆新汕品的推广应川工作提供了良好的评定设符用1 试验数 据，从而在油品i i 产和用户之问建立起一个质量评定及惋督仲裁手段。合理地用油， 无疑会提高蜗轮箱的承载能力和使用寿命，并达到1 ，能降耗的同的，从| f | j 墩得较好 的经济效益和社会效益。 同时，利用该评定台架还可以开展蜗轮蜗杆副及油品的摩擦学技术研究，将有 关研究成果的信息反馈给油品的j 于发研制单位，可以节省许多昂贵、费时的规场试 验，并提高我囤存此领域的科研水平。 2 3 试验参数的选择及计算 为了合理选择试验参数，掌握w 1 - - 1 0 0 蜗轮蜗杆油评定台架在试验过程中的工作 状态，我们对蜗杆副间的齿而应力、润滑状态及试验箱的效率进行了分析计算。蜗 杆传动在同一瞬问有多对齿啮合，齿而同时存在多条接触线，这螳接触线f 内长度和 当量曲率半径存1 ；断进行复杂的变化。i 到此，迄今还难以用严密的数学解析方法建 立蜗杆传动承载能力计算的理论公式。随着当今计算机技术的不断进步，在学术研 究中有人采用简化的数值讨+ 算方法；在工程应用中i 新f 采j e f j 半经验性的简j - 讣贷：式。 在美国a ( ；m a 、英国b s 、德蚓d t n 等标准中，汁算蜗杆剐承载能力时诌：多参数大都 采用由统计得来的指数表达，。 本次计算，足以标准i ) 1 n 3 9 9 6 轴交角为= 9 0 。的圆柱蜗杆副的承城能n r 算 ”为蓝本，浚标准综合多项d 【n 标准和i s o 标准的内容，以及n ie m a n n ，g ：w i n l e r ， h ：w il k e s m a n n 等学者多年的研究成果，较为先进和完善。 2 3 1 符号、 d d 2 h l d d 川 吒，2 n m m n 术语和单位 中心距 蜗轮宽度 压粘指数的近似值 蜗中 ：分度圆直径 轮分度唧h 径 最小汕膜厚度 最小平均汕腆厚度 m m 柏 帅 肌 m m 洲，扩 叫 m 叭 u 蜗轮蜗杆油胶台乐j ) j 能j 试验研究 最小平均油膜厚度参数 蜗杆轴支承跨距 蜗朴轴向模数 蜗杆轴转速 蜗轮轴转速 平均赫兹应力参数 蜗杆直径系数 齿数比 分度圆上的_ i l 动速度 蜗轮变位系数 蜗杆头数 蜗轮齿数 期望寿命系数 润滑剂系数 尺寸系数 迎度系数 弹性模量 蜗杆弹性模量 蜗轮弹性十其量 等效掸，眺模壁 使用系数 期 ! _ i 命 蜗卜动时蚺朴传动f i j 总效：钙 环境厂医力和本体温度下的涧滑剂动力粘度 h n s m 2 一 椰 眺 铲一 秆 秆 m 删 h 协 m m m 矿“ 吼 心 。“ o 。 互 乙 乙 乙 乙 乙f 巨 e 一 “ “ 蜗轮蜗杆汕胶乐功能山试验f j 宄 环境温度 尺寸系数 几何系数 材料系数 粗糙度系数 蜗杆轴输入功率 蜗轮轴输出功牢 啮合功率损失 算术平均粗糙度 蜗杼轴输入转矩 蜗轮愉出转矩 蜗牛t 分度蚓卜螺旋f f j 蜗轮箱效j 车 摹本摩擦系数 齿砥平均摩擦系数 蜗杆材料泊松比 蜗轮材壮汀1 松比 4 0 时涧滑荆的运动粘度 本体温度下涧滑刹的运动粘度 润滑荆密度 汕池温度 蚍轮本体温度 散热系数 蜗杆副的冷却j 而积 1 1 m m 2 s m m 2 s k g d m 3 m m w w w 吼 k 圪 k 鼻 q ： 胁五 疋一 如 u 心 几 良 吒山 蜗轮蜗杆油胶合承功能山试验 i j 究 1 5 时润滑剂密度 本体温度下润滑剂密度 蜗轮齿面接触疲劳强度极限 平均接触应力 许用平均接触应力极限 2 3 2 试验箱的基本计算参数 试验箱的基本计算参数见表2 2 。 表2 2 试验箱基本计算参数 k d m 3 k g d m n m m 2 n m m 2 n m m 2 序号参数名称符号数值单位 1 中心距日 1 0 0 m m 2 蜗轮宽度 6 2 3 2m m 3 蜗杆分度圆直径 d 川 4 0m m 4 蜗轮分度圆直径d 葩 1 6 0m m 5 蜗杆轴支承跨距 z i 1 7 7m m 6 蜗杆轴向模数 j 4j i 】m 7 蜗杆轴转速 胛i 1 4 6 0 r p m 8 蜗轮轴转速 门2 3 6 5 r p m 9 蜗杆直径系数q l o 1 0 齿数比 4 0 ：l l l 蜗轮变位系数 x0 1 2 蜗杆头数 z 【 l 1 3 蜗轮齿数 z 2 4 0 1 4 环境温度 吼 2 0 1 5 蜗轮轴输出转矩 兀 3 5 0 ( 效率试验) n m 8 6 0 ( 最大) 1 6 4 0 涧滑剂运动粘度 u 4 ( 1 2 2 0m m 2 s 1 7 蜗杆分度圆上螺旋角 ，。 5 7 1 1 8 蜗轮材料弹性模量 b 8 8 3 0 0n m m 2 ( z q s n l o l ，离心铸造) 1 9 蜗轮材制泊松比 y 2 o 3 5 2 0 蜗杆材料弹性模量e 2 1 0 0 0 0n m 一 ( 4 0 c r ，表而淬火后磨齿) 2 l 蜗f l ：4 寸料泊松比y 1 0 3 2 2 输出功率 最 1 3 4 ( 效率试验) k w 3 2 8 ( 最大) 2 3 连续运转时要求的期望寿命 厶 2 5 0 0h 2 4 蜗轮轮齿的接触疲劳强度极限 盯川7 4 2 5n m m ： 训 枷 川 晰 肼 d d 仔 。 口 蜗轮蜗杆油胶合乐功能力试验研究 2 3 3 齿面接触应力计算 2 ，3 3 1 计算公式说明 齿面的接触应力是指蜗轮和蜗杆的两个空问啮合的 f l 面在接触区域内的赫兹应 力。齿面接触应力的大小，不仪影响表面点蚀疲劳的产生，也直接影响着齿面磨损 和胶合的出现。因此，齿面接触应力是衡量蜗杆传动承载能力的主要依据。 蜗杆传动在同一瞬间有多对齿啮合，齿面同时存在多条接触线。图2 4 是投影 在齿面e 的接触线的分布情况。 图2 4圆柱蜗杆传动的接触线 啮合过程中，接触线总长和当量曲率半径在不断变化。因此，求解单位接触线 上的载荷及曲率半径比较复杂，长期未能合理解决。借助近期计算机技术的发展， 并总结实际使用经验和台架试验结果，德国n i e m a n n ，g 和w n i t e r ，h 等提出了计 算蜗杆传动齿面平均接触应力的计算公式。”： ，= 纠盟半当丌l以 ( 2 1 ) 对于( 2 1 ) 式，我们进行以f 几点说明： p ：，是无量纲的平均赫兹应力参数，它是这样得来的：在假设所有的瞬间接 触线都具有相同的赫兹应力的前提下，根据 里论计算和计算机程序，先后求得接触 线及沿接触线的当量曲率半径，然后得到平均赫兹应力，进而根据这个赫毖应力得 到无量纲参数p ：，。它只与轮齿的几何形状有关，与弹性模量、材料和巾心距无关。 平均赫兹应力参数的表达式为： 吒乩o 。卜抄眦：，等