提高乳化液马达齿轮耐冲击性试验研究

王军宁，腾磊军

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

0 引言

乳化液马达是一种以乳化液为介质的新型设备，常用于矿下钻机的驱动装置［1］。矿下环境恶劣，钻机开采面硬度不一致，乳化液马达工作时常会受到冲击。齿轮是马达承受冲击的主要部件，乳化液马达采用一种非圆行星齿轮结构，受加工方法、工艺等的限制，在受到冲击时常会出现卡齿甚至断齿的现象。不同于普通矿物油马达，以乳化液为工作介质的马达润滑性差，这对其耐冲击性能及寿命进一步造成影响。为了提高乳化液马达的耐冲击性能，笔者对乳化液马达齿轮的热处理工艺及加工工艺进行了改进，选用两种材料和不同的热处理工艺分别进行试验，选择最佳方案。

1 热处理及工艺流程的确定

乳化液马达齿轮（如图1）转速高、承载重，用于钻机驱动时还需承受一定的冲击载荷。其齿轮性能应满足以下要求［2］：1）表面具有较高的耐磨性和接触疲劳强度，以使齿轮具有较高的寿命；2）心部具有较高的强度、塑性和韧性，以防止断齿失效；3）心部具有较高的屈服强度，以保证心部及过渡层部发生塑性变形，使表面硬化层有足够的支撑，以防止剥落。

改进前的乳化液马达在匀速运转时其强度及硬度能够满足要求，但遇剧烈冲击时由于其韧性、塑性较低，经常会发生卡齿、甚至断齿的现象，不能满足马达的冲击使用需求。

为使齿轮达到“心韧外硬”的性能要求，确定采用40Cr 进行表面淬火试验，20CrMnTi 进行渗碳试验，从中确定最佳方案。

图1 乳化液马达非圆行星齿轮系

1.1 表面淬火工艺

工艺路线：下料→锻造→正火→车外圆（梅花齿）/车内孔（方齿）→加工定位孔→线切齿形→调质→表面淬火+低温回火→磨端面→线切齿型、定位孔→车外圆（梅花齿）/车内孔（方齿）。

锻造目的为细化晶粒，改善组织，使材料致密度提高。

正火用于消除锻造缺陷，改善组织，细化晶粒，调整硬度，改善切削加工性能。

调质包括淬火和高温回火。回火后硬度为30～38HRC。目的为获得较高强度、塑性、韧性的良好配合，使齿轮具有优良的综合机械性能。

表面淬火+低温回火：目的是使齿轮表层具有高的硬度和耐磨性，心部有足够的强度和韧性。齿轮表面硬度达到50～54HRC。

1.2 表面渗碳工艺

工艺路线：下料→锻造→正火→车外圆（梅花齿）/车内孔（方齿）→加工定位孔→线切齿形→镀铜（不渗碳部分）→渗碳→淬火→低温回火→磨端面→去铜→线切齿型、定位孔→车外圆（梅花齿）/车内孔（方齿）。

渗碳工序中，要求渗碳层表面含碳量0.8%～1.05%，渗碳层厚度为1.8～2.3mm。

淬火工序中，渗碳后先在870～860℃预冷淬火，以减少淬火变形，再采用油冷。

低温回火目的是降低应力和脆性，同时保持高硬度和耐磨性。回火后表面硬度为58～64HRC，心部硬度为33～48HRC。

2 加工工艺改进

齿轮材料的表面淬火和渗碳工艺，都只限制在齿轮表面一定深度内。如果将棒料整体热处理后再线切出齿形，则会将有限厚度的“硬化层”完全切掉，使热处理变得毫无意义。为此，笔者改变齿轮切割工艺，在热处理前将齿形单边放大预切轮廓。为保证齿轮二次切割时的重复定位精度，预切轮廓前，首先利用加工中心加工定位孔，当热处理完成后，可利用定位孔重新定位，准确找准下刀位置。同时，对于梅花齿来讲加工定位孔是以外圆作为基准（对于方齿来讲加工定位孔是以内孔作为基准），而齿形的位置又用定位孔确定，这样就保证了齿形与外圆（方齿为内孔）的同轴度。

3 试 验

图2 乳化液马达测试平台

3.1 测试平台

乳化液马达测试平台主要由乳化液泵站、溢流阀、转速/扭矩测量传感器、磁粉制动器、转矩转速功率采集仪等设备组成。图2为乳化液马达测试平台。乳化液马达输出轴通过联轴器与转速/扭矩测量传感器连接，转速/扭矩测量传感器的后端又与磁粉制动器连接。磁粉制动器是通过磁粉间的电磁吸力同工作面间的摩擦力产生制动功能的制动器，磁粉间的磁吸力的大小通过调节电流的强弱来完成。测试时，通过调节与磁粉制动器连接的直流电源的电流大小，控制磁粉抱轴力，由力矩平衡原理可知这个抱轴力即为马达的输出扭矩。

3.2 测试及数据

分别表面淬火工艺乳化液马达和渗碳工艺乳化液马达做试验室模拟冲击工况试验。试验时，在乳化液马达高速运转的情况下，瞬间增大磁粉制动器抱轴力，以此模仿乳化液马达冲击工况，观察乳化液马达运转情况是否正常，并记录此时马达的扭矩、转速、功率和压力，判断马达的耐冲击情况。

表1为表面淬火工艺乳化液马达测试数据，表2为渗碳工艺乳化液马达测试数据。

表1 表面淬火工艺乳化液马达测试数据

表2 渗碳工艺乳化液马达测试数据

4 结论

由试验可以看出，两种乳化液马达在遇到冲击、转速突然降低的情况下，均能正常运转，未出现卡齿、停转现象。这表明改变工艺后乳化液马达的耐冲击性能有所提高。

表面淬火工艺乳化液马达和渗碳工艺乳化液马达的耐冲击性能均能满足矿下使用要求。但表面淬火工艺乳化液马达在材料成本、加工成本和生产效率三方面均优于后者，所以笔者推荐采用表面淬火工艺作为今后乳化液马达齿轮加工工艺。另外，工艺改进对乳化液马达使用寿命的提高还需大量长期的测试数据进行支持。

［1］王军宁，张丽华.非圆行星齿轮乳化液马达及其展望［J］.机械工程师，2010（2）：121-122.

［2］唐世恭，李慧中.工程材料及成型工艺［M］.北京：兵器工业出版社，1996.