立志登攀

石维佳　刘黎　田凤云

　　摘要：使用Johnson和Hooke编制的润滑状态区域图，对实验所用的中心距为120mm钢蜗轮减速器摩擦副的润滑状态进行了计算与判断，根据润滑类型，合理选择了润滑油添加剂。
　　关键词：润滑　钢蜗轮　摩擦副　添加剂Determination of Boundary Lubrication in Steel Worm-gear Friction Pairs and Choice of Lubricant Additives

Shi Weijia　Liu Li
(Shenyang Architectural Engineering College)
Tian Fengyun
(Angang Repairing and Manufacturing Company)

　　蜗轮传动具有它独特的优点，可实现垂直交叉轴间的运动和动力的传递，具有传动比大、工作平稳、噪声小、结构紧凑，根据需要可实现自锁等优点，广泛应用于工程机械、起重运输、矿山、化工及食品等行业。但是，到目前为止，蜗轮几乎都是铜蜗轮，有时人们也使用铝合金或铸铁等材料制造它，但它们所共有的弱点就是制造成本高，承载能力低和使用寿命短。如果能用钢质材料制造蜗轮，从润滑及其它方面采取相应措施使其防止胶合，则上述蜗轮的弱点将得以克服。这里主要采用了高性能防胶合极压添加剂(BS₅型，由沈阳维华油料研究所研制)对45^＃钢调质蜗轮，硬度260-280HB；使用20CrMnMo蜗杆，表面径渗碳淬火、硬度58～62HRC进行了试验，结果表明高载荷下钢蜗轮齿面没有发生胶合。具体如下：

1　实验参数^〔1〕
　　蜗轮减速器载荷试验时，钢蜗轮与同尺寸的铜蜗轮相比较，当其载荷为铜蜗轮减速器额定载荷2倍时，连续运转6h，停机观察仍未发现胶合破坏现象。钢蜗轮减速器试验时技术参数如下：
　　额定输出转矩：T₂=2×170=340(N^.m)
　　额定输入速度：n₁=1500r/min
　　蜗杆齿数：z₁=2
　　蜗轮齿数：z₂=39
　　模数：m=5mm
　　蜗杆特性系数：q=9
　　相对滑动速度：
　　接触应力：

2　润滑状态的计算与判断
　　试验中采用ν₄₀=460×10^-6m²/s试油(硫系添加剂为主剂)。
　　蜗轮所受的圆周力=3487(N)
　　节点的当量曲率半径
　　对润滑油的卷吸速度U=V_s=×3.62=1.81(m/s)
　　单位接触线长度载荷(接触面积约占总面积的40%)
　　
　　润滑油的动力粘度
　　ν₄₀=460×10^-6m²/s的润滑油在40℃时，运动粘度为460×10^-6m²/s；在50℃时，运动粘度为ν₅₀=300×10^-6m²/s。
　　根据华脱方程lglg(ν+0.6)=A+Blg(273.15+t_°C)
　　故lglg(460+0.6)=A+Blg(273.15+40)
　　lglg(300+0.6)=A+Blg(273.15+50)
　　由此解得：A=6.152055， B=-2.294551。
　　对钢蜗轮减速器试验时，用粘度为ν₄₀=460×10^-6m²/s的试油，加载到相同尺寸的铜蜗轮的额定载荷2倍后，油室的稳定温升为71℃(环境温度为22℃)，故
　　lglg(ν₇₁+0.6)=6.152055
-2.294551lg(273.15+71)。
　　解得ν₇₁=138.93×10^-6m²/s
　　润滑油的密度ρ=8.925×10²kg/m³。
　　故润滑油的动力粘度为：
　　η_71℃=ρ^.ν₇₁=0.12399Pa.s
　　当量弹性模量(查钢材的E与μ计算得出)。
　　粘压系数一般可取：α=2.2×10^-8(m²/N)
　　故计算出的无量纲参数如下
　　速度参量
　　载荷参量
　　材料参量=aE^,=4.9810×10³
　　弹性参量g_e=^.-=3.8930(状态图横坐标)
　　g_ν=g_e^..=88.2644(状态图纵坐标)　

　　根据Johnson和Hooke编制的润滑状态区域图(如图1所示)，点(g_e，g_v)=(3.8930,88.2644)落在R—V区域内。故用Blok方程计算的最小油膜厚度为^〔2〕：

图1　润滑状态区域图

　　
　　η——润滑油的动力粘度，Pa^.s
　　V——对油的卷吸速度，m/s
　　α——粘压系数，m²/N
　　R——节点当量曲率半径，N/m²
　　代入数据计算得
　　h_min=1.5744μm
　　根据蜗轮蜗杆齿面加工情况，取
　　
　　R_q1，R_q2分别是蜗轮与蜗杆的表面粗糙度。
　　故膜厚比
　　一般地，根据Stribeck曲线在边界润滑状态下，膜厚比多为≤0.4～0.5。当λ=1时，大约70%的载荷由油膜承担，30%的载荷由凸峰接触承担；油的粘度不起主要作用，而油性和极压性能起主要作用，故属于边界润滑。

3　试油添加剂的选择
　　本次研究使用钢蜗轮代替铜蜗轮试验，由前面计算结果得知摩擦副又处于边界润滑状态，故选择含硫添加剂作为润滑油极压添加剂是较理想的选择。
　　润滑油中的硫系添加剂，在摩擦副相对运动时，因其分子吸附在钢铁表面上，在摩擦点上，吸附膜即将破坏的瞬间，如果添加剂分子中存在着S—S键，这种键能较低的弱键，断裂后生成Fe—硫醇膜，该膜具有很好的抗磨作用，而在更加苛刻的工况条件下(如本试验中钢蜗轮承受的载荷相当于铜蜗轮额定载荷的两倍)，C—S断键生成硫化亚铁膜(FeS膜)。硫化亚铁膜虽然很薄，不是层状结构，但它可填平“凹坑”软化“凸峰”起到良好的润滑作用^〔3〕。
　　FeS薄膜是一种化学反应膜，是钢/钢摩擦副使用硫系添加剂边界润滑膜主要组成部分。使用硫系添加剂化学反应模型如图2所示。

图2　化学反应膜的模型

　　FeS膜熔点较高约1190℃，近800℃时仍能保持良好的润滑性能。
　　由于蜗轮蜗杆结构特点，其相对滑动速度较高，易发生胶合，为防止胶合发生，试验中利用BS₅为主要极压添加剂。对钢/钢摩擦副来说，它是一种质量优良的添加剂，极压条件下可释放出大量硫元素(钢/钢摩擦副)，其结构式如图3所示。

图3

4　结论
　　1)对传感器电场和电容的数值解进行分析表明，电容传感器的有效作用范围处在一个不大的尺度上，残余油膜厚度是影响传感器性能的重要因素。在进行在线监测之前，传感器表面上的残余油膜应尽可能抽吸干净。
　　2)各因素主要影响传感器的灵敏度，影响程度依次为：残余油膜厚度、电极宽和电极间距，且各因素水平的组合以a∶b∶δ=6∶4∶1或a∶b∶δ=6∶6∶1为佳。

参考文献
［1］贾伯年，俞朴.传感器技术.南京：东南大学出版社，1992。
［2］盛剑霓，工程电磁场数值分析，西安：西安交通大学出版社，1991。

　　Abstract:The lubrication state in steel worm-gear friction pairs (the center distance of the gear box is 120mm) was calculated and determined according to the Johnson and Hooke lubrication diagram. The lubricant additives were also selected in accordance with the lubrication state.
　　Keywords: Lubrication　Steel worm-gear　Friction Pairs　 Additives