圆柱齿轮减速机

圆柱齿轮减速机2016-07-08讯

圆柱齿轮流量计属于容积式流量计, 适用于油、脂、溶剂、聚氨酯、刹车油、液压油和其他一些无颗粒的润滑性液体的流量测量, 广泛用于航空、航天、化工等多种军用和民用领域的流量测量。但当前圆柱齿轮流量计主要依赖进口,国产化水平很低, 这其中不乏技术方面的原因。因此, 笔者从圆柱齿轮流量计的基本原理和误差来源分析入手, 总结实现圆柱齿轮流量计高精度、压力损失低、耐用等性能特点的几个关键因素, 提出自己的建议与同行交流, 希望大家集思广益, 推动国产化圆柱齿轮流量计的发展。

一、圆柱齿轮流量计的基本原理

圆柱齿轮流量计由一对几何参数完全相同的齿轮、轴承、轴、壳体、放大器、电磁传感器等部件组成。图1为其结构原理图, 两啮合齿轮将由壳体和齿轮包围的密闭容积分成两部分。

1.圆柱齿轮流量计的力学原理

如图2所示, e为ⅰ、ⅱ齿轮的啮合点, h为齿轮的全齿高。啮合点e到两齿轮的齿根的距离分别为c和b, 齿宽为b。当流体通过圆柱齿轮流量计时, 由于机械摩擦和流体自身流动的能量损耗, 使得进油腔和出油腔间产生压降,即差压δp=p1- p2。其中, 进油腔内高压流体作用于进油腔内所有的轮齿, 而啮合的两个轮齿的齿面只有一部分受高压油的作用; 由于c和b均小于齿高h, 所以在ⅰ、ⅱ齿轮上分别产生作用力p1b(h- c)和p1b(h- b)。同理, 在出油腔中ⅰ、ⅱ齿轮也会分别受到作用力p2b(h- c) 和p2b(h- b)。

作用力合成得出流体在ⅰ、ⅱ齿轮上的总作用力分别为b(p1- p2) (h- c) 和b(p1- p2) (h- b), 正是在这两个力的作用下齿轮按图示方向旋转, 同时流体被分隔为小的体积计量单元并带到出口排出。这里进行的受力分析的前提是, 流体沿着齿轮轴向流入流出, 即流体对齿轮的径向冲击很小, 相应作用于齿轮的动压力可忽略。如果流体是沿齿轮的径向流入则需相应地记入动压对齿轮的作用力。因为动压力随流量同时变化, 此时齿轮的受力情况就复杂得多, 最终难以保证圆柱齿轮流量计的线性度, 因此,笔者认为这也是圆柱齿轮流量计通常被设计成流体沿着齿轮轴向流入流出的重要原因。

2.圆柱齿轮流量计的几何尺寸要素

齿轮齿谷面积:

由式(3)可以看到, 圆柱齿轮流量计的排量v与齿数z成正比, 与模数m的平方成正比, 在设计时考虑到仪表尺寸不宜过大及其安装布局的因素, 不宜使齿轮尺寸过大,因此, 研制同一系列大排量圆柱齿轮流量计时尽量保持齿轮的分度直径d=mz不变, 增大模数m, 减少齿数z。此时为避免因齿数少而产生根切, 需对齿轮进行修正。修正后齿轮实际中心距一般取a=(z+1)m, 齿顶圆直径da=(z+3)m。同时齿轮的重合度不宜大于1, 这样可以避免困油现象, 相应的就避免了因困油而造成的油液发热、压力冲击和气蚀困油现象, 可以延长圆柱齿轮流量计的使用寿命和减小压力损失。齿轮是圆柱齿轮流量计的核心零件, 其结构参数直接决定流量计的性能参数。齿轮结构参数的确定是一个反复设计和验证的过程。

3.圆柱齿轮流量计信号的采集和处理

圆柱齿轮流量计产生小计量体积的频率通常通过电磁感应线圈采集, 原始信号通常是交变电流, 通过二次电路完成对原始信号的放大、滤波、整流、倍频和分频等处理, 输出规整的方波脉冲信号。信号同时分为三路分别进入累积流量电路、瞬时流量电路和计算机接口输出电路。

4.圆柱齿轮流量计的计量学原理

由于圆柱齿轮流量计通常输出脉冲信号, 所以流量计的仪表系数k和k的线性度δ是衡量圆柱齿轮流量计的重要技术参数, 理论上:

式中: v1———齿容量; f———流量计输出频率; q———体积流量; kmax、kmin———流量范围内仪表系数的最大值和最小值。

二、圆柱齿轮流量计测量误差来源分析

由于齿轮之间以及与壳体之间是动态配合, 考虑齿轮啮合和齿轮转动对润滑的需求, 因此要求齿轮与壳体之间存在微小间隙, 通常间隙高度h1<0.1mm。分析已知进出口存在压差, 根据流体力学原理, 间隙、压差必然造成缝隙流动, 即泄漏。正是由于泄漏的存在使圆柱齿轮流量计实际仪表系数小于理论值, 造成计量误差。泄漏流量为:

式中:h1、b1、l———缝隙的高度、宽度和长度;μ———流体动力黏度; u0———相对运动速度; δp———进出口的差压。

因为各间隙配合面间都存在相对运动, 所以引入剪切流动项u0b1h1/2, 其中齿顶圆与壳体内圆之间的相对运动速度为u0=wra, 并与泄漏方向一致, 因此取“+”, 齿轮端面和前后配合面之间的相对运动比较复杂, 但由于是圆周运动, 可近似认为剪切流动被对称抵消。齿啮合区由于间隙可忽略, 因此泄漏量很小。上述3处泄漏中端面间隙泄漏量最大, 约占总泄漏量的3/4以上。由以上分析可得泄漏量近似与缝隙高度h13、差压δp成正比, 与流体动力学黏度μ成反比。因此, 要保证圆柱齿轮流量计的准确度, 缝隙高度h1是一个关键因素。针对间隙高度就要求提高齿轮、壳体和轴加工准确度和改进装配工艺,保证齿轮端面与壳体的间隙适中并具备很好的平行度。两齿轮轴的平行度与中心距, 以及壳体上轴孔的同轴度也是设计、机械加工和装配的重点保证参数, 采用数控加工机床作为加工两轴孔的工具, 其同轴度的误差基本为零。这些措施能有效避免机械磨损, 降低流量计压力损失, 避免因磨损而造成间隙变大。要素μ决定了圆柱齿轮流量计是否适用于中高黏度流体 ( 黏度在20cst以上)的流量测量, 如润滑油和液压油品的测量。同时也要注意黏度的增大会使压力损失vp迅速增加, 因此, 设计和选用时只有考虑了这对矛盾参数的平衡点, 才能达到最好的测量效果。

另外一个重要误差来源是温度变化。由于流量计材料的热膨胀性, 温度的变化必然引起齿容量的变化, 并造成计量误差, 因此, 温度变化大时应考虑对齿容量和对应流量进行修正, 如温度t的实际齿容量可近似表示为:

式中: v2———20℃时的齿容量; b———齿轮材料的热膨胀系数。

由于齿轮和壳体材料不同, 热膨胀系数也有所差异, 温度的变化也将引起各配合间隙的变化, 带来一系列连锁效应。因此, 研制过程中不能孤立地考虑各要素, 要综合考虑寻求各要素的最佳平衡点, 必要时要做大量的对比实验以确定最佳的设计参数, 这样才能保证研制出的圆柱齿轮流量计更加接近理想的数学模型而减小测量误差。

三、圆柱齿轮流量计的材料与部分结构的选择

通过对圆柱齿轮流量计原理和误差来源的分析, 可以看出, 材料的选择对圆柱齿轮流量计的性能参数与使用寿命影响很大。圆柱齿轮流量计结构较为复杂, 而且各关键尺寸对加工准确度要求很高, 因此, 在机械加工性能方面所选材料要具备良好的塑性、韧性和切削性等, 而且选材时流量计使用介质的性质也是重要的考虑因素, 要保证流体对材料无腐蚀作用。具体选材如下:

1.齿轮的材料

齿轮材料作为结构材料应具有良好的机加工性能。在抗磨损方面, 齿轮表面应具有高硬度、高耐磨性和高疲劳强度, 内部应具备一定的韧性。齿轮材料要产生电磁感应, 所以要具备较高的磁导率。在耐腐蚀方面, 圆柱齿轮流量计要适用于多种复杂化学成分流体的测量。由于金属材料的腐蚀大部分都属于电化学腐蚀, 此处合理的解决途径是使金属呈单相组织( 如铁素体或奥氏体), 避免形成微电池的两个电极, 并依靠合金元素提高单相组织的电极电位。选用的材料热膨胀系数应尽量小以扩大圆柱齿轮流量计的适用温度范围, 减小温度变化对流量计准确度的影响。综合以上因素, 齿轮材料推荐使用马氏体不锈钢( 如1cr13、2cr13、3cr13、4cr13、9cr18等), 并对材料按照性能要求进行相应的热处理。

2.壳体的材料

壳体材料的各性能参数和特点与齿轮材料相近, 也要具备耐磨、耐腐蚀、小膨胀系数、良好的机加工性能等特点, 只是对材料的磁导率不作过高要求, 因此可采用以上提到的马氏体不锈钢, 也可采用奥氏体不锈钢 ( 如1cr18ni9、1cr18ni9ti等), 也可采用铁素体球墨铸铁( 如qt400 15、qt450 10等), 并针对材料按照性能要求进行相应的热处理和表面处理。用于非高温工况(介质温度小于85℃)时, 壳体材料也可选用高强度铝。

3.密封圈的材料和安装结构

此处密封圈应满足以下条件: 耐高温、耐油、耐溶胀,推荐选用的密封材料有聚四氟乙烯、氟橡胶、丁腈橡胶等 。 由 于 圆 柱 齿 轮 流 量 计 本 身 对 耐 压 的 要 求 很 高(40mpa), 因此, 此处采用双密封槽, 同时为密封圈留有较大的压缩量(推荐预留30%的压缩量)。

4.轴承的选择

圆柱齿轮流量计中轴承的工作状况是: 高转速、低载荷、低磨损、轴向受很小载荷、受冲击小、准确度高,因此推荐使用高精度球轴承。轴承准确度高可有效控制齿轮的轴向和径向跳动。球轴承转动阻力小, 可有效降低流量计的压力损失。轴承也要与流体直接接触, 因此选用轴承时要注意轴承材料不能与流体起电化学腐蚀反应( 如可选用404不锈钢) 。此处轴承的润滑同齿轮的润滑原理一样, 都是依靠中高黏度流体即可达到润滑效果。

四、圆柱齿轮流量计的选用注意事项

由于圆柱齿轮流量计直接依靠轮齿啮合工作, 因此为减小齿轮、轴承的磨损和卡死现象, 要求介质清洁度较高, 不允许有固体颗粒杂质通过流量计。圆柱齿轮流量计会使流场产生脉动, 而且大流量时会产生较大压力损失和强噪音, 噪音最高可达72db以上。现阶段圆柱齿轮流量计主要依赖进口, 因此购置成本较高, 且进口也给技术支持和售后带来不便。然而由于磨损的必然存在, 因此, 必须按照规定及时对圆柱齿轮流量计进行校准, 以便及时掌握最新的仪表参数。

五、结论

研制高精度圆柱齿轮流量计要重视学习国外已成熟的圆柱齿轮流量计研制经验, 研制过程中要结合相关学科知识, 把握住关键因素。如核心零部件即齿轮与壳体的参数设计、高精度的机加工、合理的加工和装配工艺、零部件材料的科学选用、轴承的合理选用。当然, 性能良好的二次电路和二次仪表也是必不可少的。追求高精度、宽量程比等优点的同时也要考虑成本因素, 成本合理才能保证批量生产并且有市场。总之, 充分考虑各种要素, 才能研制和生产出更适合我国国情的圆柱齿轮流量计。