操作機(jī)鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)失效分析

陳宏偉，謝春普，張樹慶，王高鋒

(1．滄州東塑集團(tuán)滄州明珠塑料股份有限公司，河北 滄州 061000;2．中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

鍛造操作機(jī)是鍛壓機(jī)組中最主要的輔機(jī)，是鍛造車間實(shí)現(xiàn)鍛造機(jī)械化與自動(dòng)化的重要設(shè)備，主要用于夾持鍛件來配合主機(jī)完成鍛造工序，其特點(diǎn)是載荷大、慣性大、自由度多、操控能力強(qiáng)。本文主要針對(duì)操作機(jī)鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)的失效原因進(jìn)行分析，并提出建議。

1 操作機(jī)及鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 操作機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及其功能

操作機(jī)主要由主框架、前后輸送架、連桿、平衡桿、前后輪組、提升缸、水平缸、傾動(dòng)缸、前后側(cè)移、動(dòng)力頭、夾鉗頭、鉗臂等部分組成如圖1所示。

圖1 操作機(jī)實(shí)物圖Fig.1 Picture of forging manipulator

操作機(jī)夾持鋼錠做翻轉(zhuǎn)、提升、傾斜、側(cè)移、側(cè)擺和進(jìn)退等動(dòng)作。操作機(jī)通過前后輪組，在軌道上實(shí)現(xiàn)前后進(jìn)退動(dòng)作，其動(dòng)力部分由液壓馬達(dá)帶動(dòng)大車行走減速機(jī)，再帶動(dòng)鏈輪來實(shí)現(xiàn)的。

1.2 鉗桿旋轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)

鉗桿旋轉(zhuǎn)采用大力矩液壓馬達(dá)后置驅(qū)動(dòng)，通過減速機(jī)輸出軸的小齒輪與位于回轉(zhuǎn)套筒上的大齒圈嚙合，將旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞到回轉(zhuǎn)套筒上，回轉(zhuǎn)套筒與鉗頭用螺栓連為一體，從而帶動(dòng)鉗頭旋轉(zhuǎn)。鉗架前后軸承分別安裝在前后軸承座中，均采用調(diào)心滾子軸承，前調(diào)心滾子軸承主要用于承載徑向力，后調(diào)心滾子軸承用于消除鉗架在旋轉(zhuǎn)過程中彎曲變形對(duì)軸承產(chǎn)生的附加力。兩個(gè)旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)和齒輪位于鉗身后部，其機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鉗桿及鉗頭旋轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of rotary apparatus of nippling lever and tong head

鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其里面裝有彈簧制動(dòng)液壓開啟的摩擦片式停車制動(dòng)器，由兩級(jí)或三級(jí)行星減速器和輸出小齒輪組成。減速機(jī)通過螺栓連接在操作機(jī)機(jī)架上。鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)存在頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)，頻繁正反向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工況非常惡劣，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)兩級(jí)行星傳動(dòng)原理圖Fig.3 Transmission principle of two-stage epicyclic gear in nippling lever rotary reduction box

2 減速機(jī)工況及失效形式

鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)工況:頻繁正反轉(zhuǎn)動(dòng)，瞬間沖擊巨大、頻繁，頻繁制動(dòng)，夾持鍛件偏心引起的載荷變化大，可控性差。

操作機(jī)鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)常見失效形式有以下幾種:

(1)減速機(jī)與機(jī)架相聯(lián)螺栓、定位銷剪切破壞;

(2)減速機(jī)機(jī)體破壞;

(3)減速機(jī)輸出小齒輪和大齒圈嚴(yán)重磨損，如圖4所示;

(4)減速機(jī)本體軸、行星架斷裂等(圖4)。

圖4 小齒輪磨損失效和行星架斷裂失效Fig.4 Invalidations of pinion wear-down and epicyclic gear frame crack

3 失效原因分析

(1)鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)的輸出工作轉(zhuǎn)矩T2和輸出最大轉(zhuǎn)矩T2max計(jì)算是否考慮準(zhǔn)確，特別是輸出最大轉(zhuǎn)矩T2max，這兩個(gè)參數(shù)是鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)的設(shè)計(jì)依據(jù)。按照公稱載荷能力來計(jì)算T2及T2max時(shí)，還需要考慮鍛造主機(jī)沖擊載荷的影響。根據(jù)相關(guān)資料，建議取減速機(jī)KA≥2.25。

(2)由于鉗桿是通過兩個(gè)或四個(gè)鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)來共同驅(qū)動(dòng)的。多個(gè)鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)的輸出小齒輪和鉗桿上的大齒圈進(jìn)行多點(diǎn)嚙合。依靠液壓系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)嚙合的均載性，還需要深入探討，建議研究多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)采用柔性支承機(jī)械結(jié)構(gòu)的可行性，以有效減緩沖擊，均衡載荷。

(3)壓機(jī)產(chǎn)生的巨大反力矩通過液壓系統(tǒng)緩沖或釋放，而不對(duì)減速機(jī)產(chǎn)生沖擊和過沖擊破壞，目前看來，未能很好的解決。軸向緩沖是被動(dòng)緩沖，其軸向緩沖由操作機(jī)的軸向緩沖油缸吸收，垂直方向緩沖則由壓機(jī)吸收。這樣，對(duì)操作機(jī)而言，由于鍛件偏心，變形等產(chǎn)生的垂直力(或轉(zhuǎn)矩)，則無緩沖吸收環(huán)節(jié)，只能通過夾鉗→大齒輪→小齒輪→減速機(jī)→液壓馬達(dá)→液壓系統(tǒng)后釋放，這對(duì)減速機(jī)而言是極其不利的。

另外，從理論分析可知，當(dāng)鉗口同時(shí)受到水平和垂直方向兩個(gè)力時(shí)，緩沖效果將會(huì)大打折扣，理論分析可達(dá)50%，這主要是由于緩沖油缸為水平布置的結(jié)構(gòu)所定。

一般的概念認(rèn)為，減小緩沖油缸設(shè)定的溢流閥開啟壓力，讓水平緩沖油缸盡早發(fā)揮緩沖作用，保護(hù)操作機(jī)系統(tǒng)。其實(shí)不然，若過早打開水平緩沖缸，則會(huì)加大鉗口所受到的來自鍛件變形的垂直載荷，反而會(huì)對(duì)操作機(jī)更加不利。因此，何時(shí)打開，每個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的廠家根據(jù)自身的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)均有所不同。

(4)鍛件偏心或過長(zhǎng)時(shí)更容易產(chǎn)生上述問題。現(xiàn)場(chǎng)了解到，特別是長(zhǎng)軸件，由于偏載過大，工作非常困難，如某操作機(jī)加工只有額定重量15%的長(zhǎng)軸件時(shí)，用最大壓力卻很難轉(zhuǎn)動(dòng)。而正常鍛造時(shí)，加工額定重量120%的工件，均可正常工作。

下面是對(duì)鍛件偏心進(jìn)行的仿真計(jì)算:

鉗桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是通過液壓馬達(dá)帶動(dòng)齒輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的。此處液壓馬達(dá)最高壓力為20 MPa，轉(zhuǎn)速范圍為0～18 r/min－1，驅(qū)動(dòng)力矩為3570 N·m，大齒輪上獲得的扭矩為M大=(Z大/Z小)·M=10897.894 N·m。

通過ADAMS軟件模擬鍛件在不同偏心值時(shí)的力矩大小變化來確定危險(xiǎn)工況。

仿真初始，鉗口位于垂直位置，以?shī)A鉗旋轉(zhuǎn)的最快速度(18 r/min)驅(qū)動(dòng)5t鍛件旋轉(zhuǎn)。在仿真過程中，定義motion函數(shù)為(2 pi/3.3)的恒定速度驅(qū)動(dòng)鉗桿旋轉(zhuǎn)，觀察驅(qū)動(dòng)力矩大小的變化曲線(圖5)。

首先，假設(shè)鉗口夾持鍛件不偏心，此時(shí)力矩變化曲線如圖5所示。仿真初始鍛件要克服鍛件軸承的摩擦力矩、啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩等，力矩值變化較大，最大值為6.5 N·m。仿真一段時(shí)間后，力矩基本穩(wěn)定在0.6 N·m。

圖5 鍛件不偏心時(shí)力矩變化曲線Fig.5 Torsion variation as forge piece is not off-center

實(shí)際鍛壓過程中，鍛件與鉗桿有一定的角度存在，這對(duì)力矩影響非常大。要使鍛壓過程始終處于安全工況，就有必要對(duì)鍛件不同偏心角對(duì)力矩大小的影響進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6 不同偏心角度力矩變化圖Fig.6 Torsion variation at different off-center angles

圖6分別為鍛件偏心角度在5°、6°、7°、8°時(shí)，保持鉗桿機(jī)構(gòu)以18 r/min旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)力矩大小隨時(shí)間的變化曲線，力矩最大值分別為8619.9 N·m，10343 N·m，12063 N·m，13868 N·m。由于5 t操作機(jī)液壓馬達(dá)提供的最大力矩為10897.894 N·m，因此，比較上述各值大小，可知本例中鍛件在偏心6°以下為安全工況。

由此得到13868/10898=1.5，即超載約1.5倍。實(shí)際工作中偏心角度變化多樣，有時(shí)會(huì)更大，因此應(yīng)探討合理控制夾鉗操作油缸的工作壓力，使其在偏心超載過大時(shí)，具有一定的打滑卸載能力。

(5)現(xiàn)場(chǎng)操作工的水平對(duì)其壽命影響巨大。如鍛壓長(zhǎng)料時(shí)工件放不正，有偏心;工件正旋轉(zhuǎn)時(shí)，壓機(jī)就開始工作;其中最為嚴(yán)重的是工件還未放在砧板上，壓機(jī)就開始工作。另外跟操作工藝有關(guān)，例如停車制動(dòng)，是否需要頻繁制動(dòng)等。

(6)一般來說，鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)的速比大于40。如圖3所示，對(duì)于兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，如果用在大速比(i＞38)的減速機(jī)上，就對(duì)減速機(jī)的等強(qiáng)度提出了挑戰(zhàn)。因?yàn)檫@將造成高速級(jí)速比大于10，結(jié)構(gòu)上又有尺寸限制，不能過大，因此太陽(yáng)輪比較小，兩級(jí)行星傳動(dòng)不易形成等強(qiáng)度傳動(dòng)。

(7)液壓緩沖保護(hù)系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)最末端，其響應(yīng)時(shí)間太慢，從而造成其最弱環(huán)節(jié)損壞。

4 改進(jìn)措施及建議

(1)精確核算驅(qū)動(dòng)工作轉(zhuǎn)矩、最大工作轉(zhuǎn)矩及最大沖擊轉(zhuǎn)矩，特別是最大工作轉(zhuǎn)矩和最大沖擊轉(zhuǎn)矩最好能通過測(cè)量得到較準(zhǔn)確的數(shù)值。按其設(shè)計(jì)，并應(yīng)留有一定的安全余量，即按工作轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)時(shí)，工況系數(shù)應(yīng)取KA≥2.25，同時(shí)校核最大工作轉(zhuǎn)矩和最大沖擊轉(zhuǎn)矩。

(2)當(dāng)速比大于38時(shí)，建議在結(jié)構(gòu)上將二級(jí)傳動(dòng)變?yōu)槿?jí)傳動(dòng)，提高減速機(jī)各級(jí)強(qiáng)度及各級(jí)之間的等強(qiáng)度。

圖7通過一個(gè)摩擦片制動(dòng)器、一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)和兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)組成，并由一個(gè)小齒輪輸出。這種結(jié)構(gòu)就能很好的實(shí)現(xiàn)各級(jí)齒輪傳動(dòng)的等強(qiáng)度，并能提高各級(jí)齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度。

(3)多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)應(yīng)考慮采用具有均載及減緩沖擊的可能性。

(4)在鉗桿系統(tǒng)最前端增加過載保護(hù)系統(tǒng)，以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)零部件的保護(hù)。

圖7 鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)一級(jí)圓柱加兩級(jí)行星傳動(dòng)原理圖Fig.7 Transmission principle of one-stage column gear plus two-stage epicyclic gear in nippling lever rotary reduction box

(5)加強(qiáng)培訓(xùn)，提高現(xiàn)場(chǎng)操作工的技術(shù)水平。

5 結(jié)論

本文對(duì)操作機(jī)鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)失效原因進(jìn)行了分析，對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)因素的選擇進(jìn)行了探討和論述。采用ADAMS軟件模擬鍛件偏心值時(shí)對(duì)力矩大小的影響，增加過載保護(hù)系統(tǒng)防止巨大反力矩對(duì)減速機(jī)的沖擊破壞，同時(shí)提出幾點(diǎn)改進(jìn)措施，對(duì)操作機(jī)鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

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