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摘要:在研究常用減速機(jī)構(gòu)不同特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化組合設(shè)計(jì)減速系統(tǒng)。確定了主要設(shè)計(jì)參數(shù),并成功應(yīng)用于大型翻轉(zhuǎn)設(shè)備。
1 前言
1.1 問題的提出
在內(nèi)燃機(jī)車16V240ZB型柴油機(jī)檢修過程中,需要低速(約0.4 r/min)、大扭矩、在±360°范圍內(nèi)翻轉(zhuǎn)、自鎖性好的翻轉(zhuǎn)機(jī),將15 t的柴油機(jī)(外型尺寸5 020 mm×2 989 mm×1 790 mm)翻轉(zhuǎn)到工作位置,以便于檢修人員拆裝零件。
1.2 工藝分析
根據(jù)檢修工藝,翻轉(zhuǎn)機(jī)的工作過程為間歇翻轉(zhuǎn),工作載荷隨拆裝工序的不同而發(fā)生變化,柴油機(jī)的機(jī)體(7.9 t)是其中最重的零件,為了減少翻轉(zhuǎn)偏心阻力矩,需合理設(shè)計(jì)柴油機(jī)安裝位置,使機(jī)體的回轉(zhuǎn)中心與翻轉(zhuǎn)機(jī)的回轉(zhuǎn)中心一致。經(jīng)過受力分析,計(jì)算出工作阻力矩為14 309.5 Nm,根據(jù)載荷選擇Y132M2-6,5.5 kW,960 r/min電動機(jī)驅(qū)動。傳動系統(tǒng)需要一套速比I總≈2 400的減速機(jī)構(gòu)。
2 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 常見減速機(jī)構(gòu)
減速機(jī)構(gòu)類型很多,構(gòu)造和用途各不相同,對以下幾種典型減速機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)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(diǎn):
(1)具有穩(wěn)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(shí),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(diǎn):
(1)用于傳動比較大(I>10)的場合,結(jié)構(gòu)緊湊,工作平穩(wěn),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(dāng)量摩擦角)時(shí),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(jī)
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(diǎn):
(1)結(jié)構(gòu)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(dá)不到多齒接觸,擺線齒的磨削需要專用的機(jī)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(diǎn):
(1)傳動效率較高(η=90%～93%)。
(2)適用于低速、重載的機(jī)械傳動和粉塵多、潤
滑條件差的工作環(huán)境。
2.2 減速機(jī)構(gòu)的組合應(yīng)用
根據(jù)各種減速機(jī)構(gòu)的不同特點(diǎn)及翻轉(zhuǎn)機(jī)轉(zhuǎn)速慢,需要自鎖的工作要求,優(yōu)化組合設(shè)計(jì)減速系統(tǒng)。
減速系統(tǒng)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(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)蝸桿螺旋升角γ≤ ρ0(ρ0———螺旋當(dāng)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(zhuǎn)動,使翻轉(zhuǎn)機(jī)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(tài)下很容易產(chǎn)生膠合和磨損。經(jīng)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(jié)構(gòu)簡單、加工容易、造價(jià)低、拆修方便等優(yōu)點(diǎn)。銷輪同時(shí)作翻轉(zhuǎn)機(jī)的主動滾輪,可減少構(gòu)件數(shù)目,簡化機(jī)械結(jié)構(gòu),減輕機(jī)械重量,降低制造費(fèi)用,減少由各個(gè)零件制造誤差而形成的運(yùn)動鏈的累積誤差,提高傳動系統(tǒng)的剛性。
2.3 具體設(shè)計(jì)參數(shù)
根據(jù)工作載荷及轉(zhuǎn)速要求,設(shè)計(jì)減速系統(tǒng)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(shù):z1=18;大齒輪齒數(shù):z2=72;
法向模數(shù):mn=3 mm;端面模數(shù):mt=3.055 mm
螺旋角:β=10°56′32″;齒寬系數(shù):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(diào)質(zhì)硬度HB270～300;大齒輪的調(diào)質(zhì)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(shù):z1=21;大齒輪齒數(shù):z2=84;法向模數(shù):mn=4 mm;端面模數(shù):mt=4.095 mm;
螺旋角:β=12°22′50″;齒寬系數(shù):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(diào)質(zhì)硬度HB270～300;大齒輪的調(diào)質(zhì)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(shù):m=9 mm;頭數(shù):z1=1;特性系數(shù):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(shù):m=9 mm;頭數(shù):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(shù):z1=26;銷輪齒數(shù):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(jié)束語
應(yīng)用這套優(yōu)化組合設(shè)計(jì)的減速系統(tǒng)制造的柴油機(jī)檢修專用翻轉(zhuǎn)機(jī),已于1998年7月1日在柳州機(jī)車車輛廠安裝,調(diào)試,投入使用。如圖2所示。
經(jīng)過1年來的使用驗(yàn)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(diǎn)。比較國內(nèi)同類型產(chǎn)品,如果電機(jī)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(gè)月。圖3為在電機(jī)輸出高速級使用3個(gè)月,發(fā)生嚴(yán)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(shù)如下:模數(shù)m=4.5,齒數(shù)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(yōu)化組合設(shè)計(jì)的傳動系統(tǒng)適用于低速、大扭矩減速系統(tǒng),特別適用于要求自鎖性良好的翻轉(zhuǎn)裝置。如:大型清洗設(shè)備的翻轉(zhuǎn)裝置,大型構(gòu)架的焊接翻轉(zhuǎn)裝置。
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