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摘要:在研究常用減速機構不同特點的基礎上,優化組合設計減速系統。確定了主要設計參數,并成功應用于大型翻轉設備。
1 前言
1.1 問題的提出
在內燃機車16V240ZB型柴油機檢修過程中,需要低速(約0.4 r/min)、大扭矩、在±360°范圍內翻轉、自鎖性好的翻轉機,將15 t的柴油機(外型尺寸5 020 mm×2 989 mm×1 790 mm)翻轉到工作位置,以便于檢修人員拆裝零件。
1.2 工藝分析
根據檢修工藝,翻轉機的工作過程為間歇翻轉,工作載荷隨拆裝工序的不同而發生變化,柴油機的機體(7.9 t)是其中最重的零件,為了減少翻轉偏心阻力矩,需合理設計柴油機安裝位置,使機體的回轉中心與翻轉機的回轉中心一致。經過受力分析,計算出工作阻力矩為14 309.5 Nm,根據載荷選擇Y132M2-6,5.5 kW,960 r/min電動機驅動。傳動系統需要一套速比I總≈2 400的減速機構。
2 傳動系統設計
2.1 常見減速機構
減速機構類型很多,構造和用途各不相同,對以下幾種典型減速機構的特點進行研究分析。
2.1.1 齒輪減速器
單級減速器,其速比適用范圍 I≤8～10;
二級減速器,其速比適用范圍 I=8～60;
三級減速器,其速比適用范圍 I=40～400。
齒輪減速器的特點:
(1)具有穩定的傳動比,傳動效率高(η=94%～97%),使用壽命長。
(2)齒輪精度低時,傳動的噪聲和振動較大,不宜用在軸間距離較大的傳動。
2.1.2 蝸桿減速器
單級減速器,其速比適用范圍I=10～70;
二級減速器,其速比適用范圍I=70～2 500。
蝸桿減速器的特點:
(1)用于傳動比較大(I>10)的場合,結構緊湊,工作平穩,噪聲較低,能得到很大的傳動比,蝸桿螺旋升角γ≤ ρ0(ρ0———螺旋當量摩擦角)時,具有自鎖性。
(2)在制造精度和傳動比相同的條件下,蝸桿的傳動效率比齒輪傳動低(η=70%～80%)。
2.1.3 擺線針輪減速機
單級減速器,其速比適用范圍I=11～87;
二級減速器,其速比適用范圍I=121～7 569。
擺線針輪減速器的特點:
(1)結構緊湊、體積小、重量輕,傳動效率較高
(η=90%～95%)。
(2)制造精度要求較高,否則達不到多齒接觸,擺線齒的磨削需要專用的機床。
2.1.4 銷齒傳動
其速比適用范圍 I=5～30。
銷齒傳動的特點:
(1)傳動效率較高(η=90%～93%)。
(2)適用于低速、重載的機械傳動和粉塵多、潤
滑條件差的工作環境。
2.2 減速機構的組合應用
根據各種減速機構的不同特點及翻轉機轉速慢,需要自鎖的工作要求,優化組合設計減速系統。
減速系統由雙級圓柱齒輪減速器2,蝸桿減速器3,銷齒傳動4,三套減速機構組成。如圖1所示。
第1級降速采用雙級圓柱齒輪傳動,可獲得較高傳動效率。第2級降速采用蝸輪、蝸桿減速,設計蝸桿螺旋升角γ≤ ρ0(ρ0———螺旋當量摩擦角),不論蝸輪上作用多大的力,都無法推動蝸桿繞本身軸線轉動,使翻轉機具有良好的自鎖性。由于蝸輪和蝸桿之間的相對滑動較大,在高速狀態下很容易產生膠合和磨損。經過圓柱齒輪減速后,再由蝸桿、蝸輪減速,可延長蝸輪壽命。第3級降速采用齒輪傳動的特殊形式———銷齒傳動,可獲得較高的傳動效率,由于銷輪的輪齒是圓銷,與一般齒輪相比,具有結構簡單、加工容易、造價低、拆修方便等優點。銷輪同時作翻轉機的主動滾輪,可減少構件數目,簡化機械結構,減輕機械重量,降低制造費用,減少由各個零件制造誤差而形成的運動鏈的累積誤差,提高傳動系統的剛性。
2.3 具體設計參數
根據工作載荷及轉速要求,設計減速系統的傳動比:
I總=I齒輪·I蝸輪·I銷齒 式中:I齒輪=I1齒輪·I2齒輪=4×4=16;
I蝸桿=Z2/Z1=32/1=32; I銷齒=Z2/Z1=126/26=4.85。
2.3.1 雙級圓柱齒輪減速器
(1)高速級:
工作阻力距:T1=28 N·m; 傳動比:I1齒輪=4;
小齒輪(軸)齒數:z1=18;大齒輪齒數:z2=72;
法向模數:mn=3 mm;端面模數:mt=3.055 mm
螺旋角:β=10°56′32″;齒寬系數:φd=1.2;材料:小齒輪(軸)為45號鋼,大齒輪為40Cr;熱處理:小齒輪的調質硬度HB270～300;大齒輪的調質硬度HB200～230。
(2)次高級:
工作阻力距:T2=112 N·m;傳動比:I2齒輪=4;小齒輪(軸)齒數:z1=21;大齒輪齒數:z2=84;法向模數:mn=4 mm;端面模數:mt=4.095 mm;
螺旋角:β=12°22′50″;齒寬系數:φd=1.1;
材料:小齒輪(軸)為45號鋼,大齒輪為40Cr;熱處理:小齒輪的調質硬度HB270～300;大齒輪的調質硬度HB200～230。
2.3.2 蝸桿減速器
工作阻力距:T3=3 584 N·m;傳動比:I蝸桿=32;
(1)蝸桿:
模數:m=9 mm;頭數:z1=1;特性系數:q=8;螺旋升角:γ=7°7′30″;螺旋方向:右旋;軸向截面壓角:α=20°;
材料:40Cr;熱處理:淬火后硬度HRc40～45。
(2)蝸輪:
模數:m=9 mm;頭數:z2=32;螺旋升角:γ=7°7′30″;螺旋方向:右旋;軸向截面壓力角:α=20°;材料:HT20-40。
2.3.3 銷齒傳動
工作阻力距:T4=17 382.4 N·m;傳動比:I銷齒=4.8;齒輪齒數:z1=26;銷輪齒數:z2=126;齒距:P=51.2 mm;銷輪直徑:dp=30 mm;中心距:a=1 238 mm;材料:齒輪和銷齒均為45號鋼;熱處理:齒輪正火處理HB=167～217,齒面高頻淬火,淬硬深度2 mm,表面硬度HRc50;銷齒面高頻淬火,淬硬深度2mm,表面硬度HRc40。
3 結束語
應用這套優化組合設計的減速系統制造的柴油機檢修專用翻轉機,已于1998年7月1日在柳州機車車輛廠安裝,調試,投入使用。如圖2所示。
經過1年來的使用驗證,效果良好。具有自鎖性好,維修率低,易損件蝸輪使用壽命長等特點。比較國內同類型產品,如果電機輸出高速級直接用蝸桿、蝸輪減速,高速級蝸輪壽命只有3個月。圖3為在電機輸出高速級使用3個月,發生嚴重膠合和磨損的失效蝸輪。蝸輪的材料為ZnQSn10-1,蝸桿材料為45號鋼。此蝸輪的主要參數如下:模數m=4.5,齒數z=28,螺旋角:10°18′17″,螺旋方向:右旋;軸向截面壓力角:20°。這套優化組合設計的傳動系統適用于低速、大扭矩減速系統,特別適用于要求自鎖性良好的翻轉裝置。如:大型清洗設備的翻轉裝置,大型構架的焊接翻轉裝置。
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