祝瑞銀

（中能建華東電力裝備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002）

0 引言

隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，工業(yè)領域對機械傳動的要求也越來越高，就減速類機械裝置而言，其主傳動部分決定著傳動的精度及性能的好壞。本文介紹了一種新型材料——微晶合金在中等轉矩機械傳動中的應用。

微晶合金是一種金屬晶粒細化至微米級的鑄造合金材料，這種超微晶粒的合金可以表現(xiàn)出比其他同類合金更加優(yōu)異的綜合機械性能和力學性能、超強的性能穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性、極好的減摩性和良好的耐磨性。用微晶合金鑄造的蝸輪在性能上能夠滿足減速類機械裝置的要求，不僅降低了蝸輪的重量，而且成本比常用的銅蝸輪大大降低。

1 微晶合金的性能及應用

微晶合金是一種鋅基合金升級換代材料，在非晶基礎上形成的晶粒尺寸為納米級軟磁合金，即納米晶軟磁合金。

在鐵基非晶合金中加入促進早期形核的銅和抑制晶粒長大的鈮，先用單輥快淬法制取非晶薄帶，然后在略高于晶化溫度下退火可得到微晶組織。微晶組織由晶粒和晶界兩相組成，晶粒占75%～80%，晶界占20%～25%。微晶具有高的飽和磁感，低的矯頑力和鐵芯損失。

目前微晶合金主要有以下幾類：具有超低減摩系數(shù)的微晶合金LZA3805、具有較大PV（PV值表示機械密封的工作能力，同時也可用它表示機械密封的工況負荷）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參數(shù)見表1。

表1 常用微晶合金的性能參數(shù)

由表1可見，常用的微晶合金材料與普通的合金相比具有優(yōu)越的特性，所以被廣泛地應用于電力電子、機械制造行業(yè)等。微晶合金在電力電子行業(yè)主要用作飽和電抗器、高頻變壓器等電子器件鐵芯；在機械制造行業(yè)主要制造蝸輪、絲母、軸瓦、軸套、滑板和導軌板，用于替代銅合金。

2 微晶合金的強度分析

蝸輪蝸桿傳動的失效形式和齒輪傳動一樣，主要有膠合、磨損、疲勞點蝕和輪齒折斷等。由于蝸桿傳動嚙合面間的相對滑動速度較大，效率低，發(fā)熱量大，在潤滑和散熱不良時，膠合和磨損為主要失效形式［1］。

下面以機械傳動中常用的蝸輪蝸桿傳動形式為分析研究對象，分別對普通材料ZCuSn10P1以及微晶合金材料LZA3805制成的蝸輪進行建模及有限元分析。

現(xiàn)有的三維造型軟件已經能夠做出足夠精確的模型，本文中使用Visual Basic語言編寫程序宏，根據(jù)蝸輪的基本參數(shù)在SolidWorks軟件中運行宏生成蝸輪齒形，再應用COSMOSWorks分析軟件對其進行應力分析。

相鄰齒受載荷作用時齒根應力相互影響，選取3個齒進行分析［2］。首先取模數(shù)mc＝4mm，齒寬B＝40mm，齒數(shù)z＝50，然后進行約束條件和加載處理，施加的載荷F＝20kN，如圖1所示。

根據(jù)赫茲公式，齒輪在嚙合時，理論上是線嚙合，但由于材料的彈性變形是有一定寬度的，為簡化計算，根據(jù)應力σ＝F/（Sb）（其中，S為接觸線長度，b為變形后接觸線寬度）可以計算出變形后的嚙合線寬度［3］。常用蝸輪材料ZCuSn10P1的屈服應力σs＝375MPa，材料變形后的σ＝0.8σs，接觸線長度S＝60mm，考慮到嚙合的復雜性及蝸輪材料在變形后應力取值的局限性，計算得到單齒面嚙合線寬度b＝0.4mm。

微晶合金材料LZA3805制成的蝸輪屈服應力σs＝430MPa，材料變形后σ＝0.8σs，接觸線長度S＝60mm，計算得到單齒面嚙合線寬度b＝0.28mm。

進行有限元網(wǎng)格劃分，應用COSMOSWorks分析軟件對蝸輪受拉側進行分析，相同條件下常用蝸輪材料ZCuSn10P1和微晶合金材料蝸輪的應力云圖如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可見，在相同的工作環(huán)境下，施加20kN同樣大小的載荷，普通蝸輪材料的屈服應力值為275.7MPa，微晶合金蝸輪材料的屈服應力值僅為55.15MPa，極大地提高了傳動的效率以及穩(wěn)定性。

圖1 蝸輪加載受力圖

圖2 材料為ZCuSn10P1的蝸輪應力云圖

圖3 材料為LZA3805的蝸輪應力云圖

3 結論

（1）根據(jù)分析結果可知，在同等條件下蝸輪采用微晶合金變形比常用材料小。

（2）微晶合金蝸輪可以應用到要求更苛刻的機械傳動領域，可以傳遞更大的扭矩。

（3）微晶合金蝸輪的耐磨性優(yōu)于普通材料。

（4）微晶合金材料的抗沖擊能力（材料強度及韌性）、減摩性能（對蝸桿的保護作用及溫室）以及材質的可靠性、穩(wěn)定性等都相對優(yōu)越于普通材料。

4 結語

機械傳動的性能、效率、能耗是當前機械行業(yè)發(fā)展水平的評價標準，亟需基礎材料的更新?lián)Q代。微晶合金材料具有比普通材料更優(yōu)越的性能，可為國家能源節(jié)約以及制造業(yè)的升級帶來了很大的材料支撐，此新材料技術并將引導未來支柱產業(yè)的革命，意義重大。

［1］朱效錄，鄂中凱.齒輪承載能力分析［M］.北京：高等教育出版社，1992.

［2］濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］吳大任，駱家舜.齒輪嚙合原理［M］.北京：科學出版社，1985.