基于某產品減速器全液壓磨合試驗臺的設計

(內蒙古北方重工業集團有限公司 產品研究院， 內蒙古 包頭 014033)

引言

某產品減速器裝配于大型回轉設備上，其體積龐大，傳動功率較大，而且在傳動方式上也較為獨特，即采用雙軸輸入、單軸輸出，這與傳統單軸輸入、單軸輸出小功率減速器傳動方式有所不同。采用傳統機械磨合試驗臺不易解決的問題有兩個：其一，機械摩擦模擬加載存在缺陷，由于該產品減速器輸出功率較大，采用傳統磨擦加載方式不僅會消耗大量摩擦片，而且操作較為危險[1-3]；其二，雙軸輸入的同步性要求不易實現[4-5]。針對以上問題設計出減速器全液壓磨合試驗臺，該全液壓磨合試驗臺的設計不僅使以上問題得到解決，而且在操作上大為簡化，安全性得到進一步保障；同時在降低使成本前提下，也填補了企業在該項技術上的空白。

1 設計要求

減速器雙向雙軸輸入轉速為2250 r/min，單軸輸出轉速為71.24 r/min。在此輸入與輸出轉速的規定下要求：

(1) 當輸出軸的負載力矩MF1=0時，磨合時間t1=60 min；

(2) 當輸出軸的負載力矩MF2=2505 N·m時，磨合時間t2=30 min；

(3) 當輸出軸的負載力矩MF3=3757.5 N·m時，磨合時間t3=15 min；

(4) 當輸出軸的負載力矩MF4=5010 N·m時，磨合時間t4=5 min。

2 設計思路和工作原理

2.1 模擬加載問題的設計思路

由于傳統磨擦片加載方法帶來的諸多不利因素，針對該問題可采用液壓加載的方法加以解決[6-7]。即減速器將前級輸入的機械能通過輸出軸帶動液壓泵將機械能轉換為液壓能，液壓能又通過溢流閥加載的方式將其轉換為熱能，熱能隨液壓油一起流回油箱，流回油箱的熱能通過自然或強制散熱的方式將其釋放掉。

2.2 雙軸輸入同步性問題的設計思路

雙軸輸入同步性問題可以通過液壓傳動的方式加以解決[8-10]，即用1個普通交流電機帶動液壓泵將電能轉變為液壓能，再通過液壓閥組將液壓能以并聯的方式分為兩路，兩路液壓能各帶動1個參數完全相同的液壓馬達，2個液壓馬達的輸出軸分別與減速器的2個輸入軸相連， 從而將液壓能轉變為機械能向下級傳

動，一直傳到減速器的輸出軸。由于液壓傳動具有無級、平穩和可壓縮性，在2個輸入軸和1個輸出軸的制約下，實現2個液壓馬達的同步轉速。

2.3 正反向磨合換向問題的設計思路

換向問題在液壓傳動中較為簡單，只要在液壓油路中加入三位四通電液換向閥即可輕松解決減速器正反向磨合換向問題。

2.4 液壓工作原理

根據上述解決問題的思路，設計出減速器全液壓磨合試驗臺液壓工作原理，詳見圖1。

3 設計分析

3.1 加載液壓泵的選型

假設所選液壓泵的額定壓力為21 MPa，最大壓力為31.5 MPa；計算減速器加載液壓泵的排量和輸入功率。

1) 所選液壓泵的最小排量q1：

(1)

式中，q1—— 液壓泵的排量，mL/r

MF—— 驅動液壓泵所需最大負載扭矩，MF4=5010 N·m

p1—— 液壓泵的工作壓力，p1=21 MPa

η1—— 液壓泵的容積效率，一般可取η1=0.88～0.9

1.油泵電機組 2.單向閥 3.常開式電磁溢流閥 4.三位四通電液換向閥 5.高速同步液壓馬達 6.聯軸器 7.被試減速器8.扭矩轉速儀 9.低速大扭矩液壓馬達 10.加載溢流閥 11.補油泵電機組 12.吸油過濾器 13.回油過濾器 14.截止閥15.空氣濾清器 16.油標 17.油箱 18.壓力表圖1 減速器全液壓磨合試驗臺液壓工作原理

代入式中得：

2) 液壓泵的輸入功率N1：

(2)

式中,N1—— 液壓泵的輸入功率,kW

MF—— 驅動液壓泵所需最大負載扭矩，MF4=5010 N·m

n1—— 減速器輸出軸的轉速，n1=71.24 r/min

代入式中得：

N1≈37.4 kW

從以上計算可知，當減速器輸出軸的轉速為n1=71.24 r/min，加載液壓泵的排量為q1=1703 ml/r。在目前的情況下，將加載液壓泵直接安裝在減速器的輸出軸上，不切合實際。原因有2個：其一，減速器輸出軸的轉速過低，轉速過低使液壓泵的工作性能不能保證，目前液壓泵的轉速一般在600 r/min以上，最佳轉速在1000～1800 r/min；其二，液壓泵的排量過大，目前液壓泵的排量一般在500 mL/r以下。因此要用液壓泵對試驗臺進行加載，對輸出軸必須進行增速[11]，建議增速器的增速比在10～15之間，增速后不僅使液壓泵的排量和體積減小，而且使轉速增加；這樣有利于液壓泵的選型，但加設增速器使試驗臺整體體積有所增大。

如果對輸出軸不進行增速(即不設增速器)，另一個方案是，選用低速大扭矩液壓馬達代替液壓泵對輸出軸進行加載[12-13]。但低速大扭矩液壓馬達自吸能力較差，需加設低壓油泵電機組對其吸油口進行帶壓補油，該方案不僅解決輸出軸低速需求問題(液壓馬達轉速可以控制到0.5 r/min)，而且大排量需求問題也迎刃而解(液壓馬達的排量可達到10000 mL/r以上)。

從總體布局和成本造價的角度出發，決定采用低速大扭矩液壓馬達+補油泵方案。選用某公司生產的SM-18內曲線徑向柱塞低速大扭矩液壓馬達，技術參數詳見表1。

3.2 補油泵電機組的選型

1) 所選補油泵的排量q2

根據低速大扭矩液壓馬達排量和輸出轉速可以可以初步確定補油油泵的排量:

表1 SM-18液壓馬達技術參數

(3)

式中,q1—— 低速大扭矩液壓馬達的排量,

q=1747 mL/r

n1—— 減速器輸出軸的轉速，n1=71.24 r/min

η1—— 低速大扭矩液壓馬達的容積效率，取0.88

q2—— 所選補油泵的排量，mL/r

n2—— 驅動補油泵的的電機轉速，取1450 r/min

η2—— 所選補油泵的容積效率，選用葉片泵，取0.82

代入式中得：

q2≈119 mL/r

2) 所選補油泵電機組功率N2：

(4)

式中,N2—— 補油泵電機組功率,kW

p2—— 補油泵的工作壓力,取0.75 MPa

q2—— 補油油泵的排量；取1119 mL/r

n2—— 補油泵電機組的轉速，取1450 r/min

η3—— 補油泵電機組的機械效率，一般可取0.9

代入式中得：

N2≈2.4 kW

表2 補油泵電機組技術參數

3.3 油箱容積的確定

1) 對磨合加載試驗產生熱量W

(5)

式中,W—— 磨合加載產生的熱量,J

n1—— 減速器輸出軸的轉速71.24 r/min

MF1,MF2,MF3,MF4—— 輸出軸在磨合時所加的不同負載，見已知條件

t1,t2,t3,t4—— 在不同負載下的運行時間，見已知條件

代入式中得：

W≈7.01×107J

2) 油箱容積V

在《薄伽丘和〈十日談〉的另一種解讀——紀念薄伽丘誕辰七百周年》一文中，王軍教授指出“《十日談》著力于最能體現人類情感的‘愛情’和最能體現人類理性的‘智慧’。”[2]28“愛情”和“智慧”是否也是《十日談》中女性角色情感與理智的體現？在二者的互相作用下，這些女性角色最終會走向何種結局？

(6)

式中,V—— 所需油箱容積，L

W—— 磨合加載產生的熱量，7.01×107J

c—— 液壓油的比熱容，約等于2093 J/(kg·℃)

Δt—— 油液溫升，取40 ℃

ρ—— 液壓油的密度，0.9 kg/L

k—— 油箱容積系數，取0.8

代入式中得：

V≈1160 L

3.4 高速同步液壓馬達的選型

1) 在不考慮傳動效率的前提下，根據減速器輸出軸的最大力矩和轉速以及輸入軸的轉速，可推導出每根輸入軸的扭矩的大小：

(7)

式中,M1—— 輸入軸的扭矩，N·m

MF—— 驅動液壓泵所需最大負載扭矩，MF4=5010 N·m；

n1—— 減速器輸出軸的轉速，71.24 r/min

n3—— 輸入軸的轉速，2250 r/min

代入式中得：

M1=79.3 N·m

假設所選高速同步液壓馬達的額定壓力為25 MPa,最大壓力為31.5 MPa。計算此高速同步液壓馬達的排量和輸入功率。

2) 高速液壓馬達最小排量q3的計算：

(8)

式中,q3—— 高速同步液壓馬達的排量,mL/r

M1—— 輸入軸的扭矩，79.3 N·m

p3—— 高速同步液壓馬達的工作壓力，25 MPa

η4—— 高速同步液壓馬達的容積效率，一般可取0.88～0.9

代入式中得：

q3≈22.6 mL/r

3) 高速同步液壓馬達最小輸出功率N3的計算：

(9)

式中,N3—— 高速液壓馬達的輸出功率,kW

p3—— 高速同步液壓馬達的工作壓力，25 MPa

q3—— 高速同步液壓馬達的排量，22.6 mL/r

n3—— 輸入軸的轉速，2250 r/min

η4—— 高速同步液壓馬達的容積效率，一般可取0.88～0.9

代入式中得：N3≈24 kW

根據以上計算結果，選用某公司生產的A2F28W2Z1斜軸式軸向柱塞高速液壓馬達，技術參數詳見表3。

表3 A2F28W2Z1柱塞液壓馬達技術參數

3.5 油泵電機組的選型

在高速液壓馬達選定的前提下，即可對油泵機組進行選用。

1) 油泵流量的確定

高速馬達在2250 r/min時的流量為63 L/min，2個即為126 L/min，如果考慮到容積效率油泵的流量應不小于150 L/min，為了使油泵流量可調節，選用手動變量方式[14-15]。

2) 電機功率的確定

每個高速液壓馬達所消耗的功率為24 kW，2個即為48 kW，如果考慮到機械效率(4級連軸器、減速器4級齒輪傳動)和液壓泵的容積效率，油泵電機的功率應不小于70 kW。

根據以上條件，選用160SCY-Y315S-6油泵電機組，技術參數詳見表4。

表4 160SCY-Y315S-6油泵電機組技術參數

3.6 其余液壓元器件的選用

液壓閥以及各液壓輔件的選用可根據系統已知參數，查詢有關樣本或通過計算可具體確定，這里不再細述。

4 三維模型及實物樣機

減速器全液壓磨合試驗臺三維模型及實物樣機，詳見圖2～圖4。

5 結論

該試驗臺經過了設計、加工制造、安裝、調試、運行，結果證明方案可行，運行良好，操作簡便，解決了減速器磨合的難題。該試驗臺也可用于其它減速器產品的磨合，尤其對大型減速器產品來說，優勢更為明顯。該試驗臺也可以將2個加載溢流閥更換為比例溢流閥， 通過PLC或單片機編程控制可實現自動化程度更高的“一鍵制”控制，即按下一個按鈕，便能自動完成減速器的全過程磨合。

圖2 減速器全液壓磨合試驗臺三維模型

圖3 減速器全液壓磨合試驗臺實物樣機之一

圖4 減速器全液壓磨合試驗臺實物樣機之二