搖臂鉆床傳動系統(tǒng)原理與故障分析

許 娜

（天津天鐵軋二制鋼有限公司，天津 300400）

0 引言

搖臂鉆床是一種廣泛應(yīng)用于孔加工的機(jī)床。目前，機(jī)加工分廠使用的鉆床主要有ZQ3080×25型、ZQ3080×20型，主要用于鉆孔、擴(kuò)孔、攻螺紋等工作[1]。

1 機(jī)械傳動系統(tǒng)原理

搖臂鉆床機(jī)械傳動系統(tǒng)復(fù)雜，變速級數(shù)多，變速范圍大，以ZQ3080×20型搖臂鉆床為例，主軸變速傳動機(jī)構(gòu)安裝在主軸箱上部，主軸傳動系統(tǒng)如圖1所示。

主傳動上設(shè)有8根傳動軸Ⅰ-Ⅷ，在第Ⅱ軸上設(shè)有主軸正反轉(zhuǎn)摩擦離合器，它可使主軸平穩(wěn)無沖擊的變換旋轉(zhuǎn)方向，并可防止電機(jī)過載。在Ⅵ軸上設(shè)有扭矩保險離合器，當(dāng)主軸負(fù)荷超過允許最大扭矩的25%時，離合器打滑，防止損壞傳動系統(tǒng)的其他環(huán)節(jié)。在Ⅶ軸上安設(shè)的滑移齒輪，可實(shí)現(xiàn)主軸空檔。主軸的變速通過Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ四根軸上的二聯(lián)滑移齒輪，與固定齒輪間的不同嚙合，使主軸可以獲得2×2×2×2=16個轉(zhuǎn)速級數(shù)，轉(zhuǎn)速范圍由20 r/min～1 600 r/min，它的變速范圍及傳動路線表達(dá)式[2]如下：

由上述表達(dá)式及不同狀態(tài)下各齒輪副嚙合的傳動比繪制的轉(zhuǎn)速圖如圖2所示。

IX-XIV為主軸進(jìn)給量傳動機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)型式，安設(shè)位置，結(jié)構(gòu)上的安排均與主軸變速傳動機(jī)構(gòu)相似，如圖1所示。

圖1 主軸傳動系統(tǒng)圖

圖2 主軸轉(zhuǎn)速圖

在日常的加工中，工人一般使用的速度有100 r/min、125 r/min、200 r/min及250 r/min。以125 r/min為例，由圖1及圖2可知，此時主軸上的4個二聯(lián)齒輪動作，Ⅲ軸上的滑移齒輪6與Ⅳ軸固定齒輪8嚙合，Ⅳ軸上的滑移齒輪21與Ⅴ軸的固定齒輪20嚙合，Ⅴ軸的滑移齒輪10與Ⅵ軸的齒輪12嚙合，Ⅶ軸的滑移齒輪內(nèi)外齒輪分離，內(nèi)齒16與Ⅵ軸的12嚙合，形成如下的傳動過程，輸出轉(zhuǎn)速為125 r/min。

2 液壓控制系統(tǒng)原理

滑移齒輪的移動換位是由液壓系統(tǒng)控制的，操縱機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)安裝在主軸箱上，用以實(shí)現(xiàn)主軸正反轉(zhuǎn)、停車（制動）、空擋，預(yù)選及變速（包括“緩速”），潤滑主軸變速和主軸進(jìn)給變速傳動系統(tǒng)的各零部件等，操縱機(jī)構(gòu)液壓原理圖如圖3所示。

2.1 主軸停車

主軸停車，如圖3所示為125 r/min主軸停車狀態(tài)，此時主電機(jī)帶動齒輪泵旋轉(zhuǎn)，整個液壓系統(tǒng)處于低壓狀態(tài)，從齒輪泵輸出的油液，其中大量的油液經(jīng)管路②流入操縱閥2的a孔，經(jīng)操縱閥油路轉(zhuǎn)換后由閥1的中心孔，再到C-C截面的橫向孔和管路③流入分流器，經(jīng)分流器分流后到各個潤滑處，最后回到安放在主軸箱上的油池。另一部分油液經(jīng)B-B截面的管路⑧到制動軸的油缸9內(nèi)，由于液壓系統(tǒng)內(nèi)的油為低壓油，制動摩擦離合器11在彈簧10的作用下被壓緊，使制動軸上的齒輪不能轉(zhuǎn)動，主軸立即停車。

圖3 操縱機(jī)構(gòu)液壓原理圖

2.2 主軸正轉(zhuǎn)

主軸正轉(zhuǎn)，將操縱手柄19轉(zhuǎn)至主軸正轉(zhuǎn)的位置時，閥1相對于閥2順時針旋轉(zhuǎn)45°，參見正轉(zhuǎn)E-E截面，管路③的油源被切斷，使液壓系統(tǒng)形成壓力油，從齒輪泵輸出的壓力油到達(dá)閥2的a孔，其中的一股壓力油經(jīng)操縱閥轉(zhuǎn)換后，經(jīng)由管路⑧流入制動軸的油缸9，推動活塞向下運(yùn)動壓縮彈簧10，松開制動摩擦離合器11，為主軸旋轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。另一股壓力油經(jīng)操縱閥油路變換后，由閥1的中心孔流入E-E界面的c孔，再到A-A截面的管路⑤流入油缸18，向上推動活塞17和撥叉13，壓緊主軸正轉(zhuǎn)摩擦離合器14，接通了主電機(jī)到主軸的傳動鏈，使主軸正轉(zhuǎn)。油缸15中的油液經(jīng)管路⑥流進(jìn)A-A截面的b孔，再經(jīng)E-E截面流入閥1的橫向槽和經(jīng)D-D截面的環(huán)形槽及d孔，流入C-C截面的管路③，經(jīng)分流器回到油池。上述過程，在轉(zhuǎn)動手柄19到正轉(zhuǎn)的位置的瞬間即可完成。主電機(jī)帶動齒輪泵繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，油泵輸出的油液除保持液壓系統(tǒng)處于鎖定壓力狀態(tài)外，大部分油液經(jīng)溢流閥和分油器，潤滑主軸變速和主軸進(jìn)給傳動系統(tǒng)的諸部件，最后回到油池。

2.3 主軸反轉(zhuǎn)

主軸反轉(zhuǎn)，主軸反轉(zhuǎn)與主軸正轉(zhuǎn)相似，將操縱手柄19轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)位置，閥1相對閥2逆時針旋轉(zhuǎn)45°，參見反轉(zhuǎn)E-E截面。液壓泵來油經(jīng)油管②流入C-C截面的a孔，經(jīng)操縱閥轉(zhuǎn)換后，壓力油由E-E截面的b孔，流到A-A截面的管路⑥進(jìn)入油缸15，向下推動活塞16和撥叉13，壓緊主軸反轉(zhuǎn)摩擦離合器12，使主軸反轉(zhuǎn)，油缸18中的油液由油管⑤流入A-A截面的c孔，經(jīng)操縱閥轉(zhuǎn)換后經(jīng)C-C截面的d孔流入油管③，最后流回油池。

在主軸正傳或反轉(zhuǎn)的過程中，也可以旋轉(zhuǎn)旋鈕3和4，預(yù)選主軸轉(zhuǎn)速或進(jìn)給量。當(dāng)工作完成時，將手柄19轉(zhuǎn)回停車位置，主軸停車，油路分配如前述—主軸停車。

2.4 主軸變速

主軸變速與緩速，主軸停車、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)是在水平方向轉(zhuǎn)動操縱手柄19，而主軸變速與空檔則是在垂直方向轉(zhuǎn)動操縱手柄，如圖3所示。當(dāng)將手柄19搬至變速位置時，閥1相對于閥2向上移動一個位置，即圖3中閥1中A-A截面至E-E截面相對于閥2上移一個位置，A-A截面閥1的截面應(yīng)為B-B截面閥1的截面形狀，B-B截面閥1的截面應(yīng)為C-C截面閥1的截面形狀，依此類推。從油泵輸出的壓力油從油管②流入C-C截面的閥2的a孔，再經(jīng)操縱閥油路變換后，流到D-D截面的管路④，參見變速D-D截面，進(jìn)入主軸轉(zhuǎn)速預(yù)選閥21和主軸進(jìn)給量預(yù)選閥22，如圖3所示，每個預(yù)選閥控制著4個液壓缸，實(shí)現(xiàn)16級速度變換。其中一股壓力油直接流進(jìn)各變速油缸的下腔，另一股壓力油經(jīng)預(yù)選閥21、22的油路變換后流進(jìn)各變速油缸的上腔，由帕斯卡原理，油缸的上下兩腔的壓強(qiáng)相等，但由于上腔面積大于裝有活塞桿的下腔面積，由公式[3]F=P×S知，上腔壓力大于下腔壓力，形成壓力差，當(dāng)壓力油從上腔流進(jìn)，將推動活塞桿向下移動，帶動傳動軸上的滑移齒輪脫開或嚙合，實(shí)現(xiàn)變速。當(dāng)油缸的上腔液壓油與21、22的回油口接通，壓力油流回油池，活塞在下腔的壓力油的作用下向上移動，帶動傳動軸上的滑移齒輪做反方向移動，重新調(diào)整滑移齒輪的位置，實(shí)現(xiàn)變速。具體哪個油缸上腔進(jìn)油或回油，決定于預(yù)選閥21和22的所選定的主軸速度和進(jìn)給量。

圖3所示為轉(zhuǎn)速125 r/min，進(jìn)給量為0.4 mm/min的活塞桿在變速油缸內(nèi)的位置。與壓力油流進(jìn)D-D截面的管路④的同時，從閥1的中心孔和十字孔流進(jìn)E-E截面閥2的b孔和c孔，參見變速E-E截面，再經(jīng)A-A截面的管路⑥和⑤，流入油缸15和18，因活塞17比活塞16的直徑大，產(chǎn)生壓力差，活塞17帶動撥叉13向上緩慢移動，逐漸壓緊主軸正傳摩擦離合器14，接通主電機(jī)到主軸的傳動鏈，使主軸緩慢轉(zhuǎn)動，稱之為“緩速”。緩速的目的在于使滑移齒輪能比較順利地進(jìn)入嚙合位置，而避免齒頂齒現(xiàn)象發(fā)生。

如果將手柄19向下搬到變速位置時，主軸已開始轉(zhuǎn)動，表明各變速油缸內(nèi)的活塞移動完畢，滑移齒輪已移動到新的位置進(jìn)入嚙合狀態(tài)，變速已經(jīng)完成。此時，松開手柄19，在閥1桿上彈簧20作用下，自動復(fù)位到主軸停車位置，接著便可以開車（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）進(jìn)行工作。由于閥1和閥2恢復(fù)到主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的位置，切斷了通往預(yù)選閥21、22和各變速油缸上下腔的油路，各滑移齒輪在各自的彈簧定位下進(jìn)行工作。

2.5 主軸空檔

主軸空檔，將手柄19向上搬到主軸空檔位置，閥1相對于閥2向下位移一個位置，即圖3中閥1中A-A截面至E-E截面相對于閥2下移一個位置，B-B截面閥1的截面形狀應(yīng)為A-A截面閥1的截面形狀，C-C截面閥1的截面應(yīng)為B-B截面閥1的截面形狀，依此類推。從油泵輸出的壓力油，經(jīng)管路②流到C-C截面閥2的a孔，再經(jīng)操縱閥油路變換后，最終流入D-D截面的管路⑦，參看主軸空擋D-D截面，同時流進(jìn)三位油缸的上下腔，上腔的活塞7向下頂活塞6直到活塞7被卡圈8限位為止，下腔活塞5向上移動與活塞6相遇，因活塞5面積小于活塞7的面積而不能頂回活塞6。此時，Ⅶ軸上的滑移齒輪處于中間脫開的位置，這樣可以輕便的旋轉(zhuǎn)主軸，這時，g腔的油液經(jīng)管路④流入到D-D截面閥1的軸向槽和環(huán)形槽，與閥2的d孔共同經(jīng)C-C截面閥2橫向孔和管路③，經(jīng)分流器去潤滑，最后流回油池。若活塞6處于下位置向中間位置移動時，f腔的油液經(jīng)油管和預(yù)選閥21流回油池。

當(dāng)主軸正在進(jìn)行變速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)時，或處于空檔狀態(tài)時，液壓系統(tǒng)除保持原狀態(tài)用油外，大部分油液經(jīng)溢流閥和主軸操縱閥潤滑主軸變速和進(jìn)給變速傳動系統(tǒng)各零部件。

3 故障分析

機(jī)床常見的故障原因有齒輪打齒，齒輪軸彎曲變形或折斷，滑移齒輪定位彈簧卡子失效等，這些機(jī)械故障會造成齒輪嚙合不到位，出現(xiàn)“丟轉(zhuǎn)”和轉(zhuǎn)速混亂現(xiàn)象。同時，液壓系統(tǒng)供油壓力不足或是系統(tǒng)漏油、混入空氣，會影響控制滑移齒輪換位的液壓缸活塞行程，也會造成主軸“丟轉(zhuǎn)”和混亂。當(dāng)油缸15、18內(nèi)的彈簧折斷造成撥叉行程不足或是摩擦片過熱咬合縮短間隙，增大撥叉行程等，都會使撥叉壓不緊摩擦片，會造成機(jī)床正反轉(zhuǎn)啟動慢，輸出扭矩不足。而出現(xiàn)在油缸9處，則會造成剎車失靈。此外還有軸承、密封件、液壓閥、油液的清潔度等。

［1］王志成.基于SFC的搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)改造［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2013（2）：47-49.

［2］廖效果，朱啟逑.數(shù)字控制機(jī)床：第一版［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，1992.

［3］方桂花，汪建新，張玉寶，等.液壓傳動：第一版［M］.北京：地震出版社，2002.