非標準變位齒輪的研制

劉永東，徐繼林，王 璇

（蘭州石化維達公司，甘肅蘭州 730060）

0 引言

蘭州石化化工廠高密度聚乙烯裝置的關鍵設備擠壓機是從日本進口的設備，在近階段設備運行時發現齒輪泵轉子運行振動超差，運行不平穩且噪聲較大，經停車拆卸檢查發現齒輪泵轉子其齒面大面積點蝕、剝落，點蝕坑深2～3 mm，有兩處輪齒折斷1/3。齒輪泵轉子是高密度聚乙烯裝置中擠壓機內關鍵的零部件，進口件費用是國產幾倍，且生產到貨周期長，急需測繪加工制作以應急生產需要。

1 擠壓機工作原理

高密度聚乙烯裝置采用國產化的日本三井油化淤漿法聚合工藝。乙烯、丙烯、氫氣經預熱后與主催化劑、助催化劑一起進入聚合釜，在低壓下進行液相聚合反應，產品淤漿溢出后送至離心分離干燥工序脫出己烷，干粉送擠壓機造粒工序進行造粒，經摻和、包裝，生產出聚乙烯產品。

2 問題分析

（1）檢修發現齒輪泵轉子有兩處輪齒折斷1/3，從輪齒斷裂處截面分析，原進口件內部可能存在缺陷，在長期運轉下，缺陷進一步擴大，引起疲勞斷裂。

（2）齒面點蝕、剝落情況分析。當聚乙烯濕餅經干燥工序脫出己烷，干粉送擠壓機擠壓造粒，齒輪泵電機功率600 kW，物料溫度200℃，高密度聚乙烯在200℃時黏度很大，這時轉子齒面不斷反復受到很大壓力和拉力，加劇齒面點蝕和剝落的進程。隨著齒面點蝕和剝落的不斷惡化，轉子在擠壓物料過程中受阻、物流不順暢更加劇齒面的點蝕。

3 進口件測繪及計算

（1）由于沒有新的備件測繪，只能對輪齒局部斷裂且齒面有嚴重點蝕、剝落的齒輪泵轉子進行測繪（圖1），測繪參數：齒數Z=14，齒頂圓直徑da=366 mm，齒根圓直徑df=268 mm，公法線長度Wk=2=103.4～104.5 mm，實測裝置兩齒輪泵轉子中心矩a實測=320 mm。

圖1 齒輪泵轉子

（2）計算測繪參數。①模數確定，m=da（/Z+2）=22.875，取標準模數m=22，則a計算=m（Z1+Z2）/2=308，由于a實測＞a計算,故該對齒輪為角變位齒輪。②經過計算確定，計算確定總的變位系數xE=0.616 61，則單個齒輪變位系數x1=x2=0.3083。經過計算，da計算=362.4337 mm，df計算=266.5652 mm，公法線長度Wk=2計算=106.3749。測繪原件數值da實測=366 mm，df實測=268 mm，Wk=2實測=103.4～104.5 mm。從上述數值可以看出，測繪值與計算值出入很多，可見該對齒輪是非標準角變位齒輪。

4 原理分析

（1）采用非標準齒輪的原因。由于該對齒輪各有一個減速機帶動旋轉，該轉子齒輪起的作用并非傳遞動力、變速、分度等，主要起擠壓物料的作用，而嚙合齒面并不接觸。物料填充在輪齒之間，兩齒的側隙，齒頂和齒根的間隙始終處在等間隙嚙合過程中，物料受到極大的擠壓作用。因此保證合理的間隙，對擠壓效果和產品質量、產量都有很大關系。

（2）根據生產的實際要求，齒輪的側隙值應保持在1 mm左右，而按計算的公法線長度Wk=2計算=106.3749 mm來加工的齒輪，將無法保證合理的側隙值。為了保證合理的側隙值和頂隙值，故將齒輪的齒厚有意減薄，而齒頂圓及齒根圓直徑有意加大。

5 準確公法線確定

（1）由于齒輪的齒面有點蝕、剝落等，故不能按測繪的公法線來加工齒輪，因此確定準確的公法線值至關重要。

（2）在計算機上按齒廓形成的原理，模擬做出齒輪的齒面漸開線，并在中心矩a=320 mm情況下嚙合（圖2）。

圖2 齒厚未減薄時齒輪轉子嚙合情況

此時公法線長度與理論計算值一致，為Wk=2=106.37 mm，但此時齒面之間無間隙，為了保證齒面間隙值為1 mm，需要將齒厚削薄。在計算機上將齒厚逐漸削薄，模擬實際工況進行嚙合，最后確定當齒面間隙為1 mm時，測出公法線Wk=2=105.5 mm（圖3）。

圖3 齒厚減薄后齒輪轉子嚙合情況

6 材料的選定

對原材料取樣分析，進口轉子材料化學成份接近國產35Cr-MoA，工件經調質處理，除直徑170外，其余各處高頻淬火處理。經實踐證明，此種材料不十分理想。最后確定選用38CrMoAlA高強度氮化鋼，毛坯采用鍛造成型，粗加工后經調質處理。機械性能：σb≥1000 N/mm2，σs≥850 N/mm2，δ5≥14%，ψ≥50%，Aku≥71 J，精加工后經滲氮處理，HV≥900，無論綜合機械性能，還是表面硬度都比選用35CrMoA要好，經氮化處理后表面還有耐蝕作用，這樣對防止齒面點蝕及剝落都有很好的作用。

7 加工難點

（1）由于該對齒輪轉子齒形為角變位非標準漸開線齒形，齒頂圓直徑、齒根圓直徑、公法線值都為非標形，齒面經磨削拋光、處理，光潔度和精度要求都很高。用一般標準齒輪滾刀加工不出滿足以上要求的齒形。

（2）由于該齒輪轉子模數大而齒數少（Z=14）、直徑小，一般齒輪加工機床不能勝任該齒輪轉子的加工（超出大模數滾齒子加工范圍，大模數滾齒機對齒輪最小直徑有限制規定）。

8 制造方案

（1）根據齒形實際值，專門定做非標準刀具，而非標刀具制造難度非常大，且費用很高。經與刀具廠互相探討，刀具廠專門針對該對齒輪進行非標刀具的設計與制造，這套刀具由3把刀組成，對齒輪輪齒進行組合加工。

（2）滾齒機不能加工該對齒輪，只有在銑床上加工，但在加工時，齒輪如何保證分度準確，這對齒輪的精度非常重要。

設計一套工裝胎具，在銑床上加工該齒輪轉子，如圖4所示，由分度頭負責精確分度，由分度頭輸出端齒輪和轉子軸上的同步齒輪進行嚙合，來帶動齒輪轉子轉動，進行加工時準確分度。

圖4 齒輪轉子加工方法

9 工藝路線確定

該轉子對材料的要求很高，對鍛造工藝有嚴格限制，鍛件按JB/ZQ 4000.7—1986的通用技術要求執行，Ⅴ級合格，取鍛造比不得小于3.5，要進行防白點處理。為了防止組織內部有缺陷，工件粗加工后進行超聲波探傷，符合JB 4726—2000規定，Ⅰ級合格，為防止表面缺陷，精加工后，所有表面進行磁粉探傷，符合JB 4730—1994規定，Ⅰ級合格。

根據以上的分析，制定轉子加工工序：下料→鍛造→熱處理（防白點處理）→粗加工→超聲波探傷→粗銑齒→調質處理→精車→粗磨→精銑齒→粗拋齒面→精磨→磁粉探傷→表面氮化處理→齒面拋光。

10 模擬試驗

對加工好的一對齒輪轉子，在胎具中進行模擬擠壓情況試驗，放入橡皮泥對轉子間隙、擠壓情況進行研究分析，從實際分析結果看，效果比較理想，能滿足現場實際工況的要求。