我国链传动行业的技术研究现状与展望


    ​孟繁忠

    前   言

    链传动产品是重要的机械基础件,通常,链传动是一种具有中间挠性件的非共轭啮合传动,它兼有齿轮传动和带传动的一些特点,特别是在大中心距、定速比、多轴传动的工况下,以及环境恶劣的开式传动、冲击振动大的传动、大载荷的低速传动、润滑良好的高速传动中,采用链传动,将带来明显的技术效益与经济效益。工业化的进程表明,许多重要的齿轮传动和带传动领域已逐渐被链传动所取代。

     

      

    随着工业化、信息化、智能化的不断深入,链传动专业的技术也发展到了崭新的历史时期,创新、变异、升级已成为其主要特征。

    但是,我国的链条生产,在品种、规格、产品性能上与发达国家尚有一定差距,尤其是在严酷服役条件(例如:高速、重载、高温、强磨损、强腐蚀、剧烈冲击等)下工作的链传动产品,与国外名牌产品还有较大差距。

    链传动技术的研究现状

    国内已开展了对滚子链、齿形链、Hy-Vo齿形链的疲劳寿命分布规律的研究,如:威布尔分布、对数正态分布等。开展了高速多次冲击疲劳破坏的微观分析研究,开展了直线疲劳、回转疲劳、高周疲劳、低周疲劳的理论研究和试验研究。

     

    磨损机制及其失效机理的研究对于打造名牌链条产品是至关重要的,磨损历来是链条产品最敏感而又最易察觉到的技术指标之一。近年来,国内已经开展了滚子链、齿形链和Hy-Vo齿形链磨损失效机理的研究,微观分析了磨粒磨损、疲劳磨损、粘着磨损、微动磨损、腐蚀磨损等主要磨损机制,探讨了接触疲劳裂纹的生成、扩展与剥落的动态过程以及循环硬化与循环软化特性,研究了微动磨损与链节联结牢固度(压出力、松动扭矩)动态特性的相关性。随着市场对链条产品耐磨性能的要求不断提高(≤1%),全面系统地研究链条产品的磨损特性势在必行。做为一种技术发展趋势,开展高速、冲击、变速、变载等严酷服役条件下的磨损机制及其失效机理的研究,并探寻耐磨性能提高的重要途径将是一个具有实用价值的关键技术和创新工程。

     

    当前,已有不少链条产品,如:汽车发动机正时链、机油泵链、平衡轴链、变速箱与分动箱Hy-Vo齿形链、摩托车发动机正时链等已逐渐引入了噪声评价指标,从而拉动了行业应对这一市场需求的技术策略的产生。目前,汽车发动机正时齿形链系统和变速箱与分动箱Hy-Vo齿形链系统的噪声频谱实时分析与研究工作已经取得了重要的阶段性成果。

     

    对于滚子链、齿形链和Hy-Vo齿形链的温度场特性,国内已开始利用非接触式红外测温仪系统,现场实时跟踪测量了滚子链、齿形链、Hy-Vo齿形链的温度场特性,并同步拍摄了相关照片,计算求出了滚子链、齿形链和Hy-Vo齿形链各零件的温度分布曲线,从而为滚子链、齿形链、Hy-Vo齿形链等在较高温度场服役条件下的产品设计和制造提供了必不可少的重要依据。

     

    由于正时齿形链、变速箱与分动箱齿形链和Hy-Vo齿形链的高速、大载荷、低噪声、强磨损,以及速度与载荷的交变特性,表明了上述齿形链传动系统已突破了常规意义下的链传动领域,从而使其啮合机理的研究、复杂约束边界条件下的刚柔体多轴传动系统的设计方法及其产品设计技术、制造技术、失效模式及其分析等,构成了学科和行业的一个热点问题和重要的前沿研究领域。

    近年来,国内一些学者和链条企业对CVT无级变速器链也进行了相关的研究与研发。杭州东华链条集团有限公司于2013年负责承担了工业与信息化部的CVT无级变速器链工业强基项目。

    随着市场需求的变化,链条产品系列也呈现了多元化趋势,在链条节距方面,在小节距范围内插入了新的标准的或非标准的节距,使小节距分布更密,更适用于不同工况的传动,呈现了“个性化”特征;在尺寸相同或相近的条件下,还派生出一系列不同疲劳强度、不同拉伸强度甚至不同磨损性能的变异产品。            

     

    国内多家企业通过产学研结合成功研发了汽车发动机正时链、机油泵链、燃油泵链、共轨泵链、平衡轴链、变速箱与分动箱齿形链和Hy-Vo齿形链及其系统以及军用车辆链、航空用齿形链等新产品,实现了国产化的预期;同时,行业内多家重点骨干企业分别承担了国家发改委、财政部、工业与信息化部的科研项目、工业强基专项和成果推广项目,还分别承担了多项国家科技部的科技型中小企业技术创新基金项目。浙江的三家链条企业还分别承办了省级博士后科研工作站,与吉林大学、浙江大学等联合培养了4名博士后,探索并初步建立了产学研一体化的新模式。这些都为企业乃至行业的产品研发和技术发展奠定了必要的基础。

     

    但是,应该指出,目前国内在新产品开发方面,还处于自主研发与仿制开发的并行阶段,虽然也取得了许多具有自主知识产权的研究成果,自主研发了许多新型链条产品,但距离国际先进水平还有较大差距,还没有真正实现由制造大国向制造强国的转变。

     

    技术创新——建议与展望

    (1)行业内应重点建设好目前已获批准的3家国家级企业技术中心和5家具有较高技术水平和较强研发活力的以企业为主体的省级技术中心或研发中心,自主申报或与高等院校、科研院所联合申报各类国家级科研项目。同时,争取在“十三·五”期间,通过产学研一体化的紧密合作和行业资源共享的强强联合与充分整合,条件成熟时可筹建并联合申报全行业的国家级高速链传动工程技术研究中心,打造行业的公共技术平台,建立行业的核心共性技术研发体系和行业的共性技术支撑体系。

     

    (2)培养一批知识结构、专业结构、学历结构、年龄结构合理、热爱行业、热爱企业的工程技术人员队伍、重点骨干企业应培养和造就本企业的技术领军人物和专家型研发人员,改变目前许多重点骨干企业缺乏中高端技术人才(特别是缺乏高端技术人才和技术领军人物)的状况,有条件的企业应积极申报国家级博士后工作站,从而为行业的技术进步和自主创新奠定坚实的人才基础。

     

    (3)行业应进一步推广应用与主机厂同步研发的并行设计技术,并有序开展系统设计与仿真分析技术、啮合机理分析、外啮合+内-外复合啮合齿形链和Hy-Vo齿形链的有序排列规律、双相链传动机理及其设计技术、新型齿形链和Hy-Vo齿形链的变异原理及其设计技术、链传动失效模式及其分析技术等项目的研究和应用,建立相关的可靠性数据库,从而提高科学技术对行业经济的贡献率。同时,深入研究喷丸、挤孔、强化预拉等对链条产品性能的影响规律,提出有利于产品升级换代的新工艺、新技术。

     

    (4)应基于国际和国内两大市场的需求,以配套、维修、出口协调均衡的多元化途径,以系统开发和专业化生产的模式,适时调整我国的链条产品结构。基于链传动行业的技术现状、发展趋势与配套状况以及市场前景,建议: 2015~2020年链传动行业需要重点关注与研发的核心基础零部件产品为:高强度耐腐蚀链、高品质农机链、高耐磨摩托车链、大功率汽车发动机正时链系统(含正时链、链轮、阻尼板、张紧板、张紧器等),大功率船用发动机传动链、变异Hy-Vo齿形链系统(含变异Hy-Vo齿形链、链轮),CVT无级变速器链,双相传动Hy-Vo齿形链系统(含双相传动Hy-Vo齿形链、双相传动交错齿链轮)等。

     

    (5)研究适用于冶金、水泥、农机、船舶、石油化工等行业的高温、强腐蚀、强磨损链条的服役条件及其失效机理,研制能够模拟严酷服役条件的科学、实用的专用试验设备或试验装置,研究与分析不同工况下润滑油以及其它各种介质的属性及其对链条产品主要性能和可靠寿命的影响规律,提出适用于高温、强腐蚀、强磨损链条的新材料、新工艺和新技术,形成具有自主知识产权和核心竞争力的我国特种链条的品牌系列和有代表性的研发生产基地。这是一项具有前瞻性的共性技术研究工作。

     

    (6)研制高速多轴链传动系统和变速箱、分动箱链传动系统的模拟试验台,实时分析具有多约束边界条件下的高速多轴链传动系统的噪声频谱和温度场特性,试验研究和仿真分析系统的接触动态响应,提出具有自主知识产权的系统设计方法、试验规范和评价准则。

     

    (7)建立新型齿形链和新型Hy-Vo齿形链的系列型谱,推进产品的升级换代,显著降低我国链传动行业对国外技术的依存度,争取在“十三·五”末期使我国在这一领域内的研发水平、制造技术和产品质量达到国际较先进水平。

     

    (8)研究链轮新齿形,重点研究多粉尘、剧烈冲击、重载工况下的套筒滚子链链轮新齿形、齿形链和Hy-Vo齿形链链轮新齿形,粉末冶金链轮新齿形、多相传动用交错齿链轮新齿形,从啮合机理入手,研究具有大负变位的渐开线齿形和其他新齿形,研究基于不同模数、不同压力角的啮合设计及其参数变换原理,研究加工特殊齿形的滚子链链轮滚刀、插齿刀和加工大负变位渐开线齿形的齿形链链轮以及Hy-Vo齿形链链轮滚刀、插齿刀的设计方法和检验方法。

     

    (9)采取国内外、行业内外联合与协作的方式,研制新一代的制链成套设备,重点研制具有预弯功能的新型套筒、滚子卷管机、套筒自动定向装配机、新型腰鼓形滚子多工位高精度冷挤机、研制链板的多工位高速多颗级进模全光亮冲裁新工艺,研制智能化的具有自动组装、挤孔、铆头、缺件检验、灵活性检验、预拉跑合、拆节和“环接”以及中心距在线检测等多功能的链条自动装配生产线,研发Hy-Vo齿形链异形销轴的加工设备与技术,研制Hy-Vo齿形链的组装设备,研发链条零件硬度的自动检测技术,研制链条销轴的金属复合渗的设备与“个性化”技术,研制CVT无级变速器链自动装配设备及焊接技术等,以改变目前国内现有的“设备与专机较陈旧、工艺水平、专业化和自动化程度较低、劳动生产率较低”的“离散化”生产模式,真正实现“以机代人”的具有智能化特征的新的生产模式。同时,上述设备、专机和检测仪器的研制是链条产品上档次、上水平的重要保证。

     

    (10)研发新一代智能化链式输送机、倍速输送机和高性能斗式提升机以及高温、腐蚀、粉尘等严酷服役条件下的新型链式输送机,满足主机厂的迫切需求,进一步打造和强化集主机机构、附助装置、自动控制以及输送与传动链条为一体的链式输送机的研发和生产模式。

     

    结束语

    行业的技术发展历程表明,作为传统产业的链传动行业同样也有其高层面的前沿研究领域,问题在于能否把握住技术发展趋势,能否构建具有前瞻性的行业和企业以及研究院所的技术发展规划,能否实现多学科交叉、关键技术的联合攻关、核心技术的自主创新。可以相信,在“中国制造2025”规划的引领下,在工业强基和加强核心基础零部件发展的国家战略指引下,通过行业的共同努力,以企业为主体,走“产学研”结合和强强联合之路,运用技术创新手段,实施系统集成开发战略,一定会不断地研发出具有我国自主知识产权的新产品、新技术、新理论、新方法,形成行业的核心竞争力,实现学科与行业、学术与技术、经济效益与社会效益的共赢。