回轉(zhuǎn)減速機(jī)空行程的檢測(cè)和改進(jìn)

黃春有

（徐州科源液壓股份有限公司，江蘇徐州221116）

0 引言

回轉(zhuǎn)減速機(jī)是各種工程機(jī)械中驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵傳動(dòng)部件。例如，在起重機(jī)吊重物回轉(zhuǎn)時(shí)，貨物運(yùn)到指定位置需要停下時(shí)，減速機(jī)輸入端在制動(dòng)器的作用下制動(dòng)鎖死，而吊物由于慣性的作用不能立即停下來(lái)，在慣性的作用下，吊物帶動(dòng)起重機(jī)大臂及整個(gè)上車(chē)部小幅度往復(fù)擺動(dòng)。這種擺動(dòng)產(chǎn)生的主要因素有兩個(gè)：一是由于存在輸出齒輪和回轉(zhuǎn)支撐之間的側(cè)隙；二是由于存在回轉(zhuǎn)減速機(jī)空行程。其中，輸出齒輪和回轉(zhuǎn)支撐之間的側(cè)隙，關(guān)系到回轉(zhuǎn)減速機(jī)和回轉(zhuǎn)支撐兩種產(chǎn)品?；剞D(zhuǎn)減速機(jī)通常設(shè)計(jì)了偏心量，主機(jī)廠在裝配時(shí)可以通過(guò)調(diào)整回轉(zhuǎn)偏心量，使輸出齒輪和回轉(zhuǎn)支撐齒輪之間的側(cè)隙保持在一個(gè)合理的范圍值[1]。這種間隙調(diào)整由主機(jī)廠來(lái)完成，檢測(cè)和控制也由主機(jī)廠來(lái)完成，在此不做討論。

回轉(zhuǎn)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)上車(chē)回轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于減速機(jī)各級(jí)傳動(dòng)齒輪存在側(cè)隙、行星架和中心輪浮動(dòng)、制動(dòng)器的內(nèi)外花鍵間隙配合等因素的存在，減速機(jī)在馬達(dá)停下來(lái)后，上車(chē)不能立刻停下來(lái)，在慣性作用下，必須走完減速機(jī)內(nèi)部的各種間隙后才能停下來(lái)，即從輸入停止到輸出停止，減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的行程即為回轉(zhuǎn)的空行程?；剞D(zhuǎn)空行程是回轉(zhuǎn)減速機(jī)的客觀存在，不能完全消除，但為了保證車(chē)輛的正常使用，必須對(duì)空行程進(jìn)行檢測(cè)并將其控制在一定范圍內(nèi)。

1 空行程檢測(cè)

由于空行程是多因素綜合作用的結(jié)果，且各個(gè)因素影響的程度也不一樣，因此很難對(duì)各個(gè)有影響的因素進(jìn)行分開(kāi)檢測(cè)。而對(duì)于主機(jī)廠來(lái)說(shuō)，需將回轉(zhuǎn)減速機(jī)空行程控制在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)。針對(duì)這種情況，我們就把回轉(zhuǎn)減速機(jī)作為一個(gè)整體來(lái)檢測(cè)空行程，并設(shè)計(jì)了輸入端檢測(cè)和輸出端檢測(cè)兩種檢測(cè)方案。

1）輸入端檢測(cè)。軸承座在檢測(cè)機(jī)架上固定；抽出制動(dòng)器原有的連接軸，更換一個(gè)連接軸工裝（工裝無(wú)外花鍵，使制動(dòng)器不產(chǎn)生作用；有搖把，方便轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)減速機(jī)；有指針，方便指示刻度）；輸入法蘭上安裝一個(gè)刻度盤(pán)，刻度盤(pán)可以手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，刻度盤(pán)上有刻度標(biāo)示。檢測(cè)空行程時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)搖把朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，至輸出齒輪轉(zhuǎn)過(guò)1個(gè)齒以上，停止轉(zhuǎn)動(dòng)搖把；用百分表壓在輸出齒輪某一齒的一側(cè)；轉(zhuǎn)動(dòng)刻度盤(pán)，0°對(duì)準(zhǔn)搖把的指針；反向轉(zhuǎn)動(dòng)搖把，觀察輸出齒輪位置百分表，百分表開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，即停下；讀出搖把在刻度盤(pán)上轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

2）輸出端檢測(cè)。軸承座在檢測(cè)機(jī)架固定，用撬棍撬輸出齒輪朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到輸出齒輪不能再旋轉(zhuǎn)為止，用百分表壓在輸出齒輪齒形上的某一點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)，調(diào)整表盤(pán)讀數(shù)回零，然后再反向撬輸出齒輪，直至輸出齒輪不能轉(zhuǎn)動(dòng)為止，由另外一人讀出百分表讀數(shù)，該讀數(shù)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)走完空行程的弦長(zhǎng)。

對(duì)比檢測(cè)方案可知：1）輸入端檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是方法比較簡(jiǎn)單、單人即可操作，但所需工具比較復(fù)雜，有檢測(cè)機(jī)架搖把、刻度盤(pán)、百分表，尤其是搖把和刻度盤(pán)的加工比較繁瑣復(fù)雜；2）輸出端檢測(cè)操作比較復(fù)雜，需要雙人操作，一人持撬棍撬輸出齒輪，一人讀百分表，所需工具相對(duì)比較簡(jiǎn)單，需要檢測(cè)機(jī)架、百分表、撬棍等。

在輸入端檢測(cè)時(shí)人為漏掉了制動(dòng)器的空行程（此處有兩組花鍵，制動(dòng)片和制動(dòng)殼體之間及摩擦片和連接軸之間，且此兩處花鍵間隙比較大，都要求可以順利脫開(kāi)并滑動(dòng)）；并且減速機(jī)自身就是減速增扭的裝置，在輸入端用把手轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，用非常小的力即可驅(qū)動(dòng)輸出齒輪，并不能確?？招谐桃呀?jīng)被完全測(cè)量；在輸出端測(cè)量時(shí)，撬棍撬動(dòng)輸出齒輪，力量比較大，可以認(rèn)為已完全消除減速機(jī)內(nèi)部的各種空行程，包括制動(dòng)器的空行程；更重要的是主機(jī)廠在測(cè)輸出齒輪和回轉(zhuǎn)支撐之間的空程時(shí)，多采用壓鉛絲法或塞尺法，得出結(jié)果是輸出齒輪和回轉(zhuǎn)支撐之間的側(cè)隙，輸入端測(cè)量的結(jié)果和主機(jī)廠測(cè)量的結(jié)果無(wú)法在一起直接使用，更無(wú)法幫助主機(jī)廠做出更直觀的評(píng)估。

綜上所述，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，并和主機(jī)廠溝通，最終確認(rèn)將輸出端檢測(cè)作為回轉(zhuǎn)減速機(jī)空行程檢測(cè)方法。

確定實(shí)驗(yàn)方法后，就需要確定空行程的控制范圍，我公司聯(lián)合主機(jī)廠對(duì)出廠的回轉(zhuǎn)進(jìn)行檢測(cè)跟蹤，共有兩種回轉(zhuǎn)：第一種為JH17-100，速比為103.3，為三級(jí)傳動(dòng)，統(tǒng)計(jì)跟蹤數(shù)量200臺(tái)；第二種為JH17-46，速比46.4，為兩級(jí)傳動(dòng)，統(tǒng)計(jì)跟蹤數(shù)量100臺(tái)（一級(jí)傳動(dòng)使用較少，不做討論）。所得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 回轉(zhuǎn)減速機(jī)空程檢測(cè)數(shù)據(jù)分布、市場(chǎng)跟蹤反饋及部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析可知：在目前加工裝配條件下，兩級(jí)和三級(jí)傳動(dòng)的減速機(jī)空行程下限可能為0.25 mm；減速機(jī)測(cè)量空行程數(shù)據(jù)為0.50～0.55 mm時(shí)，主機(jī)廠上車(chē)有一定概率發(fā)生擺動(dòng)；減速機(jī)測(cè)量空行程數(shù)據(jù)大于0.55 mm時(shí)，主機(jī)廠上車(chē)發(fā)生擺動(dòng)的概率比較大。后經(jīng)過(guò)和主機(jī)廠溝通評(píng)審，回轉(zhuǎn)空行程測(cè)量數(shù)據(jù)盡量控制不大于0.50 mm。但從檢測(cè)數(shù)據(jù)看，并不是所有回轉(zhuǎn)都滿足此要求，因此需要生產(chǎn)工藝上進(jìn)一步改進(jìn)，進(jìn)一步提高合格率。

2 減速機(jī)改進(jìn)

回轉(zhuǎn)減速機(jī)示意圖如圖1所示。常用的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包含制動(dòng)部分、傳動(dòng)部分和輸出部分。其中輸出部分包括齒輪和兩個(gè)大軸承，產(chǎn)生的空行程可以忽略不計(jì)，因此可認(rèn)為空行程是由制動(dòng)部分和傳動(dòng)部分空行程綜合而成，即

其中：TA為制動(dòng)器空行程；TB為傳動(dòng)部分空行程。

2.1 制動(dòng)器空行程

制動(dòng)器空行程包括：馬達(dá)和連接軸之間花鍵配合間隙TA1；制動(dòng)殼體與定片之間的間隙TA2；動(dòng)片和連接軸之間間隙TA3；連接軸和輸入級(jí)中心輪之間花鍵配合間隙TA4。其中：TA1和TA4為小間隙配合，在保證安裝的前提下，間隙已經(jīng)調(diào)整為最??；TA2和TA3為間隙配合，制動(dòng)器要求內(nèi)外花鍵必須要輕松脫開(kāi)，并能相對(duì)滑移無(wú)卡滯，即TA2和TA3間隙不能太??；而從控制空行程來(lái)說(shuō)，期望TA2和TA3間隙不能太大；因此在不超過(guò)開(kāi)啟壓力的情況下，盡量增加摩擦片的正壓力（增加彈簧數(shù)量），盡量減小摩擦片的組數(shù)，從而可以縮小TA2和TA3的范圍，然后經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出最優(yōu)TA2和TA3的數(shù)值。

2.2 傳動(dòng)部分空行程控制

圖1 回轉(zhuǎn)減速機(jī)示意圖

回轉(zhuǎn)傳動(dòng)部分由兩級(jí)或三級(jí)NGW行星傳動(dòng)系統(tǒng)串聯(lián)而成。每一級(jí)傳動(dòng)的相關(guān)件包括中心輪、行星架、行星輪、行星輪軸承、齒圈。其中：行星輪通過(guò)行星輪軸承安裝在行星架上；行星架和次級(jí)的中心輪通過(guò)花鍵裝配在一起[3]，然后浮動(dòng)安裝；輸入級(jí)的中心輪和連接軸通過(guò)花鍵裝配在一起，浮動(dòng)安裝；輸出級(jí)的行星架和輸出齒輪通過(guò)花鍵裝配在一起，不用浮動(dòng)。其中的中心輪、內(nèi)齒圈和行星輪的偏心誤差、行星輪軸的位置誤差及行星架的偏心誤差將引起浮動(dòng)機(jī)構(gòu)位移，減速機(jī)的傳動(dòng)空行程和這些浮動(dòng)機(jī)構(gòu)位移密切相關(guān)，因此需要關(guān)注各個(gè)零件的產(chǎn)生的位移量及總位移量。各種誤差引起浮動(dòng)件的總位移量為

式中：Ψ為太陽(yáng)輪與行星輪節(jié)點(diǎn)上的速度與行星輪軸中心的速度之比。

從式（2）可以看出，各個(gè)零件誤差對(duì)浮動(dòng)量總位移影響程度是不一樣的，其影響程度從大到小依次為E3、E1、E4、E2。根據(jù)影響強(qiáng)度，依次對(duì)減速機(jī)零件加工工藝進(jìn)行討論和改進(jìn)：1）E3為行星輪偏心誤差引起的浮動(dòng)量，主要由行星輪齒和軸承安裝孔同軸度誤差產(chǎn)生的。行星輪加工過(guò)程為：輪齒精加工完成后，以齒形定位，磨軸承安裝孔。這樣的工藝流程可以使行星輪偏心誤差引起的浮動(dòng)量降到最小，是合適的工藝。2）E1為太陽(yáng)輪或內(nèi)齒圈偏心誤差，主要由太陽(yáng)輪或內(nèi)齒圈的徑向跳動(dòng)公差和其安裝孔軸線和主軸線的同軸度公差產(chǎn)生，取值為徑向跳動(dòng)與同軸度公差之和的一半，即E1包含兩個(gè)部分：太陽(yáng)輪偏心誤差ΔE1A和齒圈偏心誤差ΔE1B。兩項(xiàng)分開(kāi)討論，其中太陽(yáng)輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，熱處理變形小，且熱處理后要對(duì)齒面進(jìn)行珩磨加工，因此其偏心誤差ΔE1A可認(rèn)為基本取決于機(jī)床及其附件工裝的精度，即可認(rèn)為現(xiàn)行工藝是合適的。內(nèi)齒圈類(lèi)似于薄壁型零件，材料為40Cr，主要的工序安排為：毛坯→正火→粗車(chē)→調(diào)質(zhì)→精車(chē)→鉆孔插齒→齒面高頻淬火。最后一道工序高頻淬火引起的變形比較大，齒圈容易失圓，而此時(shí)為保證減速機(jī)不卡死，就需要將齒圈的棒間距調(diào)得比較大。從齒面強(qiáng)度和熱處理產(chǎn)生的變形量來(lái)說(shuō)，40Cr調(diào)質(zhì)后高頻淬火變形量大于調(diào)質(zhì)后氮化的變形量，而調(diào)質(zhì)是在精車(chē)之前進(jìn)行的，無(wú)變形量，但齒面強(qiáng)度小于調(diào)質(zhì)后氮化。針對(duì)這種情況，工藝上提高調(diào)質(zhì)硬度（基本接近插齒刀可以加工的上限），精準(zhǔn)核算減速機(jī)工況所需的齒面強(qiáng)度和使用壽命，在強(qiáng)度允許的情況下，優(yōu)先使用調(diào)質(zhì)齒圈，其次是氮化齒圈，盡量不用高頻淬火齒圈，齒圈的變形量減小，棒間距公差就可進(jìn)一步減小到一個(gè)更合理的范圍，從而減小浮動(dòng)量和空行程。3）E4為行星輪架偏心誤差引起的浮動(dòng)量，取安裝孔軸線和主軸線同軸度的一半。具體來(lái)說(shuō)就是行星架內(nèi)花鍵與行星架基準(zhǔn)軸線的中心距偏差，此偏差主要受機(jī)床及其所用工裝精度影響。4）E2為行星輪軸位置誤差引起的浮動(dòng)量，取行星輪軸相對(duì)于行星輪架安裝軸線的位置度的一半。行星架上各行星輪軸與行星架基準(zhǔn)軸線的中心距偏差，會(huì)導(dǎo)致行星輪徑向位移從而影響傳動(dòng)側(cè)隙，且當(dāng)各中心距偏差數(shù)值和方向不同時(shí)，會(huì)影響相鄰行星軸之間的相對(duì)弦距誤差的測(cè)量值，會(huì)影響行星輪均載。為此，要求各中心距的偏差等值同向，即各中心距之間的相對(duì)誤差等于或接近于零，一般控制在0.02 mm以內(nèi)。行星輪軸加工一般在加工中心上進(jìn)行，此誤差主要受加工中心精度及其所用工裝影響。

2.3 改進(jìn)措施總結(jié)

1）保證開(kāi)啟壓力前提下，增加制動(dòng)器彈簧數(shù)量，減小摩擦片的組數(shù)；2）在保證強(qiáng)度的前提下，改變齒圈熱處理方法，用調(diào)質(zhì)或氮化替代高頻淬火，進(jìn)而下調(diào)齒圈的棒間距的公差范圍。

2.4 改進(jìn)措施驗(yàn)證

改進(jìn)后用三級(jí)傳動(dòng)的回轉(zhuǎn)JH17-100進(jìn)行驗(yàn)證，抽樣100臺(tái)，其空行程測(cè)量都不大于0.50 mm，說(shuō)明改進(jìn)措施是有效的。然后發(fā)往主機(jī)廠進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果滿足使用要求。

3 結(jié)論

輸出端檢測(cè)方案可以比較準(zhǔn)確地測(cè)量出回轉(zhuǎn)減速機(jī)的空行程；合理地安排制動(dòng)器布局，合理地安排齒圈熱處理方法，并適當(dāng)縮小齒圈的棒間距，可以有效控制回轉(zhuǎn)減速機(jī)的空行程。