調(diào)度絞車行星輪架的“曲線”測繪與修復(fù)

張志偉

(河北天擇重型機(jī)械有限公司， 河北 邯鄲 056200)

0 引言

JD系列調(diào)度絞車在市場應(yīng)用廣泛正是因?yàn)槠渚哂胁僮鞣奖?、可靠性高、小巧緊湊、剛度足、使用效率強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、噪聲污染低等諸多優(yōu)點(diǎn)。該調(diào)度絞車不僅可以用于各類礦廠工地和建筑工地等進(jìn)行運(yùn)輸和相關(guān)輔助工作，也可以用在各類煤礦工地中進(jìn)行牽引。因?yàn)槭褂昧讼鄳?yīng)的行星輪系和內(nèi)齒輪傳動(dòng)裝置一起構(gòu)成的減速裝置，并將該裝置塞入卷筒中，卷筒一側(cè)被電動(dòng)機(jī)裝入，所以該調(diào)度絞車體積才能小巧緊湊。操作靈活是因?yàn)樵谡{(diào)度絞車中使用了相應(yīng)的滾動(dòng)軸承。調(diào)度絞車包含電動(dòng)機(jī)、相應(yīng)底座、托架以及卷筒、保護(hù)裝置。為成功搬運(yùn)，使用電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速機(jī)構(gòu)提供力矩，利用卷筒和鋼繩摩擦進(jìn)行裝置的啟停。

1 問題存在及“曲線”尋解剖析

在為冀中能源峰峰集團(tuán)某礦拆檢修復(fù)如圖1所示的90 kW調(diào)度絞車行星輪架緊急任務(wù)時(shí)，由于設(shè)備使用年限長，行星輪架磨損嚴(yán)重，無法正常測繪三孔中心距、相鄰行星輪中心距等重要數(shù)據(jù)，且未能找到相關(guān)圖紙等技術(shù)資料，修理工作一度陷入僵局。

圖1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

經(jīng)多方考察和研究90 kW調(diào)度絞車結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，該絞車結(jié)構(gòu)包含公用行星輪G組成的NGW型行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)[1]和行星輪和太陽輪組合的內(nèi)嚙合齒輪副N以及行星輪和太陽輪組成的外嚙合齒輪副W。依據(jù)同心條件，為保證行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的太陽輪與行星齒輪規(guī)范嚙合，各嚙合齒輪間的中心距必須相等，即中心輪F與行星輪X的中心距aFX應(yīng)等于任一行星輪X與大內(nèi)齒圈Q的中心距aXQ。依據(jù)裝配條件，應(yīng)保證3個(gè)行星齒輪能均布地安裝于太陽輪和大內(nèi)齒圈之間，并且與太陽輪和大內(nèi)齒圈嚙合良好，沒有齒部嚙合不均現(xiàn)象。

依據(jù)鄰接條件，必須保證3個(gè)行星齒輪間均不得有空間干涉，并留有適當(dāng)間隙，一般取不小于0.5倍模數(shù)的距離。因此對行星輪架的軸孔中心距公差及形位偏差有較高的精度要求。同時(shí)，為了保證行星輪與內(nèi)齒輪的正確嚙合，對行星齒輪的相對位置也有很高的位置精度要求：

1) 中心距極限偏差。為有效保證行星齒輪均載運(yùn)行，減少行星架和其上行星輪軸孔間距偏差導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)方向和幅值不同，接著影響相鄰軸孔之間的弦距誤差測得的實(shí)際值，故要求各行星齒輪機(jī)構(gòu)中中心距同向同值，即各齒輪副中心距之間的相對誤差無限趨近于零，一般控制在0.01～0.02 mm。

2) 相鄰行星輪軸孔距偏差。必須嚴(yán)格控制對各行星輪間載荷分配均衡性影響較大因素的相鄰行星輪軸孔距偏差。

3) 浮動(dòng)性的軸向間隙。為避免影響太陽輪浮動(dòng)和均載效果，導(dǎo)致摩擦發(fā)熱和產(chǎn)生噪聲，對于采用均載機(jī)構(gòu)為基本構(gòu)件浮動(dòng)的該行星傳動(dòng)，應(yīng)在修復(fù)加工與裝配時(shí)考慮使太陽輪有足夠的軸向間隙。

4) 其他主要零件的精度及技術(shù)要求。座體、端蓋、輸入軸、輸出軸等零部件間的相互配合，端面、定位端面及軸承安裝位的表面之間的同軸度、徑向圓跳動(dòng)和端面跳動(dòng)可按GB/T 10595—2017形位公差標(biāo)準(zhǔn)中的5～8級(jí)精度選用相應(yīng)公差值。

所以，通過測繪行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪間的嚙合關(guān)系來反推行星架三孔中心距及相鄰行星輪中心距等重要數(shù)據(jù)不失為一條可行的“曲線”解決辦法。

2 數(shù)據(jù)測繪、反向求解及三維實(shí)體動(dòng)態(tài)仿真

2.1 數(shù)據(jù)測繪

通過測繪得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測繪數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

1) 通過測繪齒數(shù)、齒頂圓直徑、公法線等參數(shù)可反向計(jì)算出齒輪部件的模數(shù)及變位系數(shù)，跨測齒數(shù)k查表可得[1]。

2) 經(jīng)仔細(xì)觀察，中心輪、行星輪、內(nèi)齒圈均為直齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，齒部完好，可測繪出較準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

3) 中心輪、行星輪為外齒結(jié)構(gòu)，可用游標(biāo)卡尺測出公法線數(shù)據(jù)。內(nèi)齒圈為內(nèi)齒結(jié)構(gòu)，齒數(shù)為絞車齒槽數(shù)，跨測齒數(shù)為絞車跨測齒槽數(shù)，公法線Wn因無專用量棒，游標(biāo)卡尺受空間限制無法使用等客觀原因而無法測量數(shù)值。

2.2 反向求解

依據(jù)漸開線圓柱齒輪傳動(dòng)的幾何計(jì)算表以及漸開線圓柱齒輪傳動(dòng)的公法線長度計(jì)算公式表[1]，將測繪所得數(shù)據(jù)代入以下相關(guān)公式：

中心距a=1/2(d1±d2)+ym=1/2m(Z1±Z2)+ym

(1)

公法線長度W=(W*+△W)m

(2)

其中，W*=cosα[π(k-0.5)+zinvα]

△W=2xsinα

本文數(shù)據(jù)計(jì)算中借助了鄭州煤機(jī)研究所研發(fā)的CAD齒輪設(shè)計(jì)校核軟件及依據(jù)公式二編輯設(shè)計(jì)的漸開線變位圓柱直齒輪公法線計(jì)算Excle表。

經(jīng)計(jì)算，得到反向求解數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 反向求解數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)反向求解的數(shù)據(jù)結(jié)果可以分析得出，該設(shè)備為角變位齒輪的NGW型行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)行星齒輪機(jī)構(gòu)的鄰接條件、裝配條件、同心條件原理，最終可確定行星輪架上3個(gè)行星齒輪孔的中心距為φ361，相鄰的兩行星齒輪中心距為312.6mm，得出NGW型行星齒輪結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，行星架測繪圖如圖3所示。

圖2 NGW型行星齒輪結(jié)構(gòu)

圖3 行星架測繪圖

注：內(nèi)齒圈齒數(shù)為齒槽數(shù)，跨測齒數(shù)為跨測齒槽數(shù)。

2.3 SoliderWorks三維實(shí)體動(dòng)態(tài)仿真及檢測

依據(jù)計(jì)算所得數(shù)據(jù)分別將各零部件在SoliderWorks三維實(shí)體軟件中繪制成零部件，建立裝配組合體，如圖4、圖5所示分別進(jìn)行干涉檢測和旋轉(zhuǎn)零部件碰撞檢測[2]，各齒輪傳動(dòng)部件運(yùn)行正常，無干涉和碰撞現(xiàn)象。

圖4 SoliderWorks三維實(shí)體干涉檢查

圖5 SoliderWorks三維實(shí)體旋轉(zhuǎn)碰撞檢查

3 修復(fù)工藝及要求

3.1 軸的修復(fù)工藝及要求

拆解后，經(jīng)用外徑千分尺測量知長軸裝配軸承處軸徑分別為：φ150-0.07mm、φ180-0.06mm，正常裝配值應(yīng)為φ150+0.028mm、φ180+0.028mm，表面磨損約0.05 mm，故采用刷鍍修復(fù)工藝。[2]刷鍍又稱涂鍍或無槽電鍍，是一種借助電化學(xué)方法。電鍍層更加均勻、致密性好、光潔度高、增強(qiáng)了被鍍件的耐磨性，鍍后一般不用再機(jī)械加工[3]。

刷鍍的主要作用包括：

1) 可最大程度修復(fù)加工超差件及零件的表面磨損，保證修復(fù)后尺寸精度和幾何形狀精度符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

2) 填補(bǔ)零件表面的劃傷、溝槽、凹坑、斑蝕等表面缺陷。

3) 通過提升新品表面強(qiáng)度，使其具有更高的力學(xué)性能和更好的物化性能。

軸的修復(fù)工藝要求：

1) 表面修整。在刷鍍前用煤油將軸上裝軸承部位需鍍表面擦拭干凈，露出原金屬光澤，達(dá)到形位精度和表面粗糙度要求，以求獲得均勻鍍層。

2) 刷鍍工裝的設(shè)置。將表面修整后的軸裝夾在C6130機(jī)床上，鍍筆夾牢，調(diào)整機(jī)床速度為60 r/min，進(jìn)行連續(xù)均勻刷鍍。按要求調(diào)整電源、電流量。提前準(zhǔn)備好表面處理材料、專用鍍筆及其他輔助工具。

3) 電靜處理。為進(jìn)一步有效解離一般溶劑清洗后的表殘留油膜，促使水膜均勻滿布、無干斑，表面可用電凈液通電以鍍筆涂刷，再經(jīng)乳化或皂化后用水沖洗。

4) 表面活化處理。為使軸表面出現(xiàn)新鮮原金屬色澤和無花斑，應(yīng)在通電狀態(tài)下用專用鍍筆沾上活化液刷抹零件表面，通過氣泡的機(jī)械剝離作用，電化學(xué)相應(yīng)反應(yīng)形成氣泡的機(jī)械剝離作用來達(dá)到去除氧化膜的目的。

5) 刷過鍍層。將專用刷鍍筆接正極，鍍液預(yù)熱至55 ℃，立即對經(jīng)表面活化處理后的磨損部位刷鍍過渡層。

1.學(xué)生對學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)上的偏差。對發(fā)現(xiàn)知識(shí)、了解知識(shí)、掌握和運(yùn)用知識(shí)的難度估計(jì)不足或認(rèn)識(shí)不深，以為輕而易舉，結(jié)果一旦遇到困難便知難而退。缺乏對學(xué)習(xí)難度充分認(rèn)識(shí)的心理準(zhǔn)備，由此滋生厭學(xué)情緒。

6) 刷鍍工作層。首先將鍍液預(yù)熱至55 ℃，啟動(dòng)電源開始刷鍍工作層。將預(yù)定鍍層厚度0.05 mm，工作層數(shù)5層儲(chǔ)存在計(jì)數(shù)器中，按所用鍍液選擇電壓和相對運(yùn)動(dòng)速度，設(shè)置為自動(dòng)控制鍍層厚度，當(dāng)達(dá)到預(yù)定厚度時(shí)，即有聲光信號(hào)報(bào)警。

7) 鍍后處理。軸磨損部位刷鍍完后，應(yīng)用清水沖凈表面殘留物，并清除毛刺、修整邊角及進(jìn)行防銹處理。

3.2 行星架的修復(fù)工藝及要求

鑒于行星架在行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的重要性，對磨損較嚴(yán)重的內(nèi)孔部位及端面先進(jìn)行補(bǔ)焊處理，然后轉(zhuǎn)TKP6513數(shù)控臥式鏜銑床以行星架與長軸配合的軸徑內(nèi)孔加工面為基準(zhǔn)，修復(fù)各行星輪定位孔及端面，保證各行星輪定位孔與內(nèi)孔的同軸度、端面平行度均達(dá)到圖紙要求的7級(jí)公差標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)孔表面粗糙度3.2 μm,端面粗糙度6.3 μm。補(bǔ)焊工藝要求：

圖6 軸的修復(fù)工藝基本流程

1) 在焊前需將行星輪定位孔補(bǔ)焊區(qū)域及坡口周圍40 mm以內(nèi)的鐵銹、油污、粘砂等雜質(zhì)清除干凈，露出金屬光澤為宜[4]。

2) 依據(jù)行星架材質(zhì)ZG40Cr低合金鑄鋼的力學(xué)性能和化學(xué)成分，焊接材料適合選用ER55-D2實(shí)芯焊絲。環(huán)境溫度應(yīng)高于10 ℃，所以應(yīng)在空氣對流相對較小的室內(nèi)場所焊接。

3) 因行星架壁厚較薄≤10 mm，形狀相對簡單、缺陷小，故焊前不再進(jìn)行預(yù)熱。

5) 焊后消應(yīng)力熱處理溫度應(yīng)低于性能回火溫度20 ℃～80 ℃，保溫時(shí)間根據(jù)缺陷焊接厚度來決定，最低保溫時(shí)間在3 h以上。

4 結(jié)論

本文通過應(yīng)用漸開線行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間齒輪相互嚙合的工作原理和SoliderWorks三維實(shí)體動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)成功求解判斷出90 kW調(diào)度絞車行星輪架中行星輪的中心距等重要部位的關(guān)鍵原始數(shù)據(jù)。

對磨損的行星輪架進(jìn)行修復(fù)后,一年多來設(shè)備運(yùn)行正常，礦方反饋良好，有力證明了該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)重要設(shè)備再利用，節(jié)約設(shè)備成本投入的工作中切實(shí)可行，發(fā)揮了關(guān)鍵作用。