减速机构在大速比传动系统中的组合应用
摘要:在研究常用减速机构不同特点的基础上,优化组合设计减速系统。确定了主要设计参数,并成功应用于大型翻转设备。
1 前言
1.1 问题的提出
在内燃机车16V240ZB型柴油机检修过程中,需要低速(约0.4 r/min)、大扭矩、在±360°范围内翻转、自锁性好的翻转机,将15 t的柴油机(外型尺寸5 020 mm×2 989 mm×1 790 mm)翻转到最佳工作位置,以便于检修人员拆装零件。
1.2 工艺分析
根据检修工艺,翻转机的工作过程为间歇翻转,工作载荷随拆装工序的不同而发生变化,柴油机的机体(7.9 t)是其中最重的零件,为了减少翻转偏心阻力矩,需合理设计柴油机安装位置,使机体的回转中心与翻转机的回转中心一致。经过受力分析,计算出最大工作阻力矩为14 309.5 Nm,根据载荷选择Y132M2-6,5.5 kW,960 r/min电动机驱动。传动系统需要一套速比I总≈2 400的减速机构。
2 传动系统设计
2.1 常见减速机构
减速机构类型很多,构造和用途各不相同,对以下几种典型减速机构的特点进行研究分析。
2.1.1 齿轮减速器
单级减速器,其速比适用范围 I≤8～10;
二级减速器,其速比适用范围 I=8～60;
三级减速器,其速比适用范围 I=40～400。
齿轮减速器的特点:
(1)具有稳定的传动比,传动效率高(η=94%～97%),使用寿命长。
(2)齿轮精度低时,传动的噪声和振动较大,不宜用在轴间距离较大的传动。
2.1.2 蜗杆减速器
单级减速器,其速比适用范围I=10～70;
二级减速器,其速比适用范围I=70～2 500。
蜗杆减速器的特点:
(1)用于传动比较大(I>10)的场合,结构紧凑,工作平稳,噪声较低,能得到很大的传动比,蜗杆螺旋升角γ≤ ρ0(ρ0———螺旋当量摩擦角)时,具有自锁性。
(2)在制造精度和传动比相同的条件下,蜗杆的传动效率比齿轮传动低(η=70%～80%)。
2.1.3 摆线针轮减速机
单级减速器,其速比适用范围I=11～87;
二级减速器,其速比适用范围I=121～7 569。
摆线针轮减速器的特点:
(1)结构紧凑、体积小、重量轻,传动效率较高
(η=90%～95%)。
(2)制造精度要求较高,否则达不到多齿接触,摆线齿的磨削需要专用的机床。
2.1.4 销齿传动
其速比适用范围 I=5～30。
销齿传动的特点:
(1)传动效率较高(η=90%～93%)。
(2)适用于低速、重载的机械传动和粉尘多、润
滑条件差的工作环境。
2.2 减速机构的组合应用
根据各种减速机构的不同特点及翻转机转速慢,需要自锁的工作要求,优化组合设计减速系统。
减速系统由双级圆柱齿轮减速器2,蜗杆减速器3,销齿传动4,三套减速机构组成。如图1所示。
第1级降速采用双级圆柱齿轮传动,可获得较高传动效率。第2级降速采用蜗轮、蜗杆减速,设计蜗杆螺旋升角γ≤ ρ0(ρ0———螺旋当量摩擦角),不论蜗轮上作用多大的力,都无法推动蜗杆绕本身轴线转动,使翻转机具有良好的自锁性。由于蜗轮和蜗杆之间的相对滑动较大,在高速状态下很容易产生胶合和磨损。经过圆柱齿轮减速后,再由蜗杆、蜗轮减速,可延长蜗轮寿命。第3级降速采用齿轮传动的特殊形式———销齿传动,可获得较高的传动效率,由于销轮的轮齿是圆销,与一般齿轮相比,具有结构简单、加工容易、造价低、拆修方便等优点。销轮同时作翻转机的主动滚轮,可减少构件数目,简化机械结构,减轻机械重量,降低制造费用,减少由各个零件制造误差而形成的运动链的累积误差,提高传动系统的刚性。
2.3 具体设计参数
根据工作载荷及转速要求,设计减速系统的传动比:
I总=I齿轮·I蜗轮·I销齿 式中:I齿轮=I1齿轮·I2齿轮=4×4=16;
I蜗杆=Z2/Z1=32/1=32; I销齿=Z2/Z1=126/26=4.85。
2.3.1 双级圆柱齿轮减速器
(1)高速级:
工作阻力距:T1=28 N·m; 传动比:I1齿轮=4;
小齿轮(轴)齿数:z1=18;大齿轮齿数:z2=72;
法向模数:mn=3 mm;端面模数:mt=3.055 mm
螺旋角:β=10°56′32″;齿宽系数:φd=1.2;材料:小齿轮(轴)为45号钢,大齿轮为40Cr;热处理:小齿轮的调质硬度HB270～300;大齿轮的调质硬度HB200～230。
(2)次高级:
工作阻力距:T2=112 N·m;传动比:I2齿轮=4;小齿轮(轴)齿数:z1=21;大齿轮齿数:z2=84;法向模数:mn=4 mm;端面模数:mt=4.095 mm;
螺旋角:β=12°22′50″;齿宽系数:φd=1.1;
材料:小齿轮(轴)为45号钢,大齿轮为40Cr;热处理:小齿轮的调质硬度HB270～300;大齿轮的调质硬度HB200～230。
2.3.2 蜗杆减速器
工作阻力距:T3=3 584 N·m;传动比:I蜗杆=32;
(1)蜗杆:
模数:m=9 mm;头数:z1=1;特性系数:q=8;螺旋升角:γ=7°7′30″;螺旋方向:右旋;轴向截面压角:α=20°;
材料:40Cr;热处理:淬火后硬度HRc40～45。
(2)蜗轮:
模数:m=9 mm;头数:z2=32;螺旋升角:γ=7°7′30″;螺旋方向:右旋;轴向截面压力角:α=20°;材料:HT20-40。
2.3.3 销齿传动
工作阻力距:T4=17 382.4 N·m;传动比:I销齿=4.8;齿轮齿数:z1=26;销轮齿数:z2=126;齿距:P=51.2 mm;销轮直径:dp=30 mm;中心距:a=1 238 mm;材料:齿轮和销齿均为45号钢;热处理:齿轮正火处理HB=167～217,齿面高频淬火,淬硬深度2 mm,表面硬度HRc50;销齿面高频淬火,淬硬深度2mm,表面硬度HRc40。
3 结束语
应用这套优化组合设计的减速系统制造的柴油机检修专用翻转机,已于1998年7月1日在柳州机车车辆厂安装,调试,投入使用。如图2所示。
经过1年来的使用验证,效果良好。具有自锁性好,维修率低,易损件蜗轮使用寿命长等特点。比较国内同类型产品,如果电机输出高速级直接用蜗杆、蜗轮减速,高速级蜗轮寿命只有3个月。图3为在电机输出高速级使用3个月,发生严重胶合和磨损的失效蜗轮。蜗轮的材料为ZnQSn10-1,蜗杆材料为45号钢。此蜗轮的主要参数如下:模数m=4.5,齿数z=28,螺旋角:10°18′17″,螺旋方向:右旋;轴向截面压力角:20°。这套优化组合设计的传动系统适用于低速、大扭矩减速系统,特别适用于要求自锁性良好的翻转装置。如:大型清洗设备的翻转装置,大型构架的焊接翻转装置。
