大型精密重載摩擦輪傳動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)研究*

西安大醫(yī)集團(tuán)股份有限公司 西安 710016

1 研究背景

圓柱摩擦輪傳動(dòng)采用相互壓緊的兩個(gè)摩擦輪之間的摩擦力來傳遞動(dòng)力。摩擦輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單,維護(hù)方便,無反向間隙,可無級分度,在大型天文望遠(yuǎn)鏡、質(zhì)子治療中心、大型三坐標(biāo)劃線機(jī)、精密測量儀器中得到廣泛應(yīng)用。學(xué)者及工程技術(shù)人員對摩擦輪傳動(dòng)進(jìn)行了廣泛研究,其中,對精密小型摩擦輪傳動(dòng)及重載摩擦輪傳動(dòng)研究較多,對精密重載摩擦輪傳動(dòng)研究則較少。筆者以大型放療設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)架為應(yīng)用背景,研究摩擦輪傳動(dòng)在精密重載工況中應(yīng)用的若干關(guān)鍵技術(shù)。大型精密重載摩擦輪傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)架如圖1所示[1]。旋轉(zhuǎn)機(jī)架由支撐底座及滾筒構(gòu)成,滾筒軌道與摩擦輪構(gòu)成一對摩擦輪副。

2 摩擦輪傳動(dòng)滑動(dòng)規(guī)律

在摩擦輪副之間,通常存在三種類型的滑動(dòng),分別為彈性滑動(dòng)、打滑、幾何滑動(dòng)。彈性滑動(dòng)是由摩擦輪副接觸區(qū)材料發(fā)生彈性變形所造成的滑動(dòng)[2],原理如圖2所示。摩擦輪和滾筒軌道構(gòu)成一對摩擦輪副,摩擦輪為主動(dòng)摩擦輪,滾筒軌道為從動(dòng)摩擦輪。在摩擦輪副接觸區(qū)域,滾筒軌道受到和旋轉(zhuǎn)方向ω2相同的摩擦力Ft2作用,剛脫離接觸區(qū)的材料被壓縮,將進(jìn)入接觸區(qū)的材料受到拉伸。摩擦輪受到和旋轉(zhuǎn)方向ω1相反的摩擦力Ft1作用,剛脫離接觸區(qū)的材料受到拉伸,將進(jìn)入接觸區(qū)的材料被壓縮。接觸區(qū)域摩擦副兩側(cè)材料受力狀態(tài)不同,產(chǎn)生微觀的速度滑移,造成彈性滑動(dòng)。彈性滑動(dòng)與摩擦輪副承受的法向載荷及材料的彈性模量有關(guān),是不可避免的。打滑指由于摩擦輪副接觸區(qū)域產(chǎn)生的摩擦扭矩不足以克服負(fù)載扭矩而產(chǎn)生的主動(dòng)摩擦輪與從動(dòng)摩擦輪之間的相對滑動(dòng),是一種過載現(xiàn)象。幾何滑動(dòng)是由摩擦輪副的幾何形狀所產(chǎn)生的一種滑動(dòng)現(xiàn)象,幾何滑動(dòng)的大小與摩擦輪副的形狀及相對位置有關(guān),如圓柱體在圓盤端面做繞圓盤中心線的滾動(dòng)時(shí),在摩擦輪副之間存在幾何滑動(dòng)。

圖1 大型精密重載摩擦輪傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)架

圖2 彈性滑動(dòng)原理

綜上所述,對于大型精密重載摩擦輪傳動(dòng)而言,打滑是必須避免的,同時(shí)需要通過設(shè)計(jì)減小彈性滑動(dòng)對傳動(dòng)精度、接觸疲勞的影響。克服打滑的主要措施有:① 嚴(yán)格計(jì)算摩擦扭矩與實(shí)際所需扭矩,確保足夠的安全因數(shù);② 細(xì)致做好靜平衡,尤其是針對臥式布局的重型摩擦輪傳動(dòng);③ 保持摩擦輪副干燥清潔。減小彈性滑動(dòng)的措施有:① 選擇高彈性模量的材料;② 提高支撐系統(tǒng)的剛性。

3 摩擦輪傳動(dòng)精度分析

文獻(xiàn)[3-4]對摩擦輪傳動(dòng)精度進(jìn)行了研究,筆者進(jìn)行補(bǔ)充分析。摩擦輪傳動(dòng)主要用于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),摩擦輪傳動(dòng)精度主要表征傳遞角位移的準(zhǔn)確性。對于大型精密重載摩擦輪傳動(dòng)而言,需要高回轉(zhuǎn)精度、精確的傳動(dòng)比及定位精度。影響旋轉(zhuǎn)機(jī)架摩擦輪副回轉(zhuǎn)精度的主要因素是驅(qū)動(dòng)輪與滾筒軌道的安裝位置誤差及摩擦輪副自身的加工精度,尤其是徑向跳動(dòng)。對于徑向跳動(dòng),建議采用相對公共軸線的跳動(dòng)公差來進(jìn)行精度控制[5]。

大型旋轉(zhuǎn)機(jī)架為中空結(jié)構(gòu),回轉(zhuǎn)軸線是基準(zhǔn),滾筒軌道徑向跳動(dòng)可以反映滾筒的回轉(zhuǎn)誤差,但無法準(zhǔn)確評價(jià)運(yùn)行過程中滾筒軸線的變動(dòng)量。為定量識(shí)別滾筒的軸心軌跡,筆者開發(fā)了回轉(zhuǎn)精度測試裝置,主要由塔型支架、基準(zhǔn)量棒、無線傳輸千分表等組成,如圖3所示。塔型支架安裝在滾筒上,端部安裝無線傳輸千分表,基準(zhǔn)量棒相對大地固定。測試裝置調(diào)整到位后,旋轉(zhuǎn)機(jī)架連續(xù)回轉(zhuǎn),實(shí)時(shí)采集滾筒的徑向跳動(dòng)值。滾筒回轉(zhuǎn)軸心軌跡曲線如圖4所示。由圖4可以看出,在空載狀態(tài)下,滾筒回轉(zhuǎn)軸心軌跡范圍直徑小于0.05 mm,在滿負(fù)載狀態(tài)下,滾筒回轉(zhuǎn)軸心軌跡范圍直徑小于0.12 mm。

圖3 回轉(zhuǎn)精度測試裝置

摩擦輪副在安裝過程中存在安裝誤差,導(dǎo)致摩擦輪副出現(xiàn)沿徑向方向的傾斜角誤差和沿切向方向的扭轉(zhuǎn)角誤差。如圖5所示,主動(dòng)、從動(dòng)摩擦輪旋轉(zhuǎn)軸線在徑向的夾角為傾斜角γ,在切向的夾角為扭轉(zhuǎn)角θ。摩擦輪副之間的扭轉(zhuǎn)角誤差會(huì)引起滾筒在回轉(zhuǎn)時(shí)突跳,降低驅(qū)動(dòng)精度。摩擦輪副之間的傾斜角誤差會(huì)造成接觸線壓力不均勻,產(chǎn)生軸向竄動(dòng)力,同時(shí)引發(fā)摩擦輪副局部應(yīng)力過大,導(dǎo)致摩擦輪副早期接觸疲勞失效。

圖4 滾筒回轉(zhuǎn)軸心軌跡曲線

圖5 摩擦輪副傾斜角與扭轉(zhuǎn)角

在對主動(dòng)摩擦輪進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),為克服安裝誤差引起的摩擦輪副傾斜角,抑制滾筒軸向竄動(dòng),對摩擦輪廓形進(jìn)行修形處理,如圖6所示。摩擦輪廓形是半徑為R的圓弧形,即使存在摩擦輪副安裝軸線傾斜,摩擦輪與滾筒軌道的接觸線也僅在位置上產(chǎn)生微量變化,不會(huì)影響接觸狀態(tài)。由圖7可知,摩擦輪與滾筒軌道的接觸寬度約為40 mm,占滾筒軌道寬度的2/3,接觸均勻。筆者等[6]開發(fā)了滾筒在回轉(zhuǎn)時(shí)的軸向力測試裝置,如圖8所示,可以對滾筒在回轉(zhuǎn)時(shí)的軸向竄動(dòng)力進(jìn)行測試。滾筒在滿載狀態(tài)下以2 r/min轉(zhuǎn)速運(yùn)行,兩端不進(jìn)行限位,軸向竄動(dòng)力波動(dòng)范圍為0～3 kN。兩端進(jìn)行限位后,軸向竄動(dòng)量約為0.12 mm,運(yùn)行平穩(wěn),為整機(jī)中心精度提供了基礎(chǔ)保障。

對旋轉(zhuǎn)機(jī)架摩擦輪副的傳動(dòng)比精度進(jìn)行測試,測試原理如圖9所示。在摩擦輪上同軸安裝摩擦輪位置編碼器,型號(hào)為EQN1025。在滾筒上安裝一個(gè)二次反饋編碼器,具體操作為和滾筒軌道同軸安裝同步齒形帶,齒形帶齒部沿徑向向外,齒形帶背面緊套在滾筒圓環(huán)面上。在主動(dòng)摩擦輪支撐座上安裝滾筒運(yùn)行位置的采集裝置,具體操作為一個(gè)同步帶輪與同步齒形帶嚙合,同步帶輪同軸安裝摩擦輪位置編碼器。兩路編碼器數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)倍福運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行比較,檢測摩擦輪與滾筒的傳動(dòng)比。圖10所示為實(shí)際測試狀態(tài),傳動(dòng)鏈中同步帶驅(qū)動(dòng)和摩擦輪驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)比穩(wěn)定,誤差小于0.05°。

圖6 摩擦輪廓形

圖7 圓弧廓形摩擦輪與滾筒軌道接觸線

圖8 滾筒回轉(zhuǎn)時(shí)軸向力測試裝置

圖9 傳動(dòng)比精度測試原理

圖10 傳動(dòng)比精度測試狀態(tài)

4 摩擦輪副接觸應(yīng)力計(jì)算

赫茲接觸理論用于研究兩物體因受壓相互接觸后產(chǎn)生的局部應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律。兩個(gè)分離表面在幾何關(guān)系上接觸并相互剪切時(shí),稱它們處于接觸狀態(tài)。接觸表面具有不互相穿透,能夠傳遞法向壓力和切向摩擦力的特點(diǎn)。接觸是強(qiáng)非線性的,隨著接觸狀態(tài)的改變,接觸表面的法向和切向剛度都有顯著的變化。接觸應(yīng)力與外加壓力呈非線性關(guān)系,并與材料的彈性模量和泊松比有關(guān)。接觸應(yīng)力的分布呈高度局部性,并隨著與接觸面距離的增大而迅速減小。

筆者所研究的大型精密重載摩擦輪傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)架為臥式布局,壓緊力主要由負(fù)載重力產(chǎn)生。摩擦輪與滾筒軌道構(gòu)成摩擦輪副。摩擦輪副赫茲接觸應(yīng)力分布如圖11所示。依據(jù)赫茲接觸理論對旋轉(zhuǎn)機(jī)架摩擦輪副接觸應(yīng)力及接觸寬度進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表1,其中,摩擦輪材料為42CrMo合金鋼,滾筒軌道材料為NM400耐磨鋼,a、σHmax計(jì)算式為:

(1)

(2)

圖11 摩擦輪副赫茲接觸應(yīng)力分布

表1 摩擦輪副赫茲接觸理論計(jì)算結(jié)果

在靜態(tài)接觸狀態(tài)下,接觸區(qū)半寬為0.863 mm,最大接觸應(yīng)力為461.4 MPa。

5 接觸應(yīng)力有限元分析

文獻(xiàn)[7-9]對摩擦輪副的接觸應(yīng)力進(jìn)行了分析計(jì)算,筆者著重對靜態(tài)接觸及制動(dòng)狀態(tài)下的應(yīng)力進(jìn)行分析,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行壽命預(yù)估。在大型精密重載摩擦輪傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)架中,摩擦輪與滾筒軌道構(gòu)成一對摩擦輪副,滾筒上的載荷通過軌道接觸區(qū)域傳遞至摩擦輪。應(yīng)用SolidWorks軟件建立摩擦輪和滾筒軌道相接觸的摩擦輪副模型,導(dǎo)入有限元仿真軟件。模型整體采用掃掠方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到的有限元模型如圖12所示,單元數(shù)量共計(jì)27 184,節(jié)點(diǎn)數(shù)量共計(jì)136 096。

圖12 摩擦輪副有限元模型

對摩擦輪內(nèi)孔施加固定約束,對滾筒軌道內(nèi)圈沿接觸法向施加載荷37 500 N,模擬摩擦輪副的靜態(tài)接觸狀態(tài)。摩擦輪副靜態(tài)接觸狀態(tài)下接觸應(yīng)力云圖如圖13所示。由圖13可以得到,最大接觸應(yīng)力為479.01 MPa,與理論計(jì)算值的偏差約為3.82%,表明理論計(jì)算和仿真結(jié)果可信。筆者所選用的摩擦輪及滾筒軌道材料的屈服強(qiáng)度為1 200 MPa,遠(yuǎn)大于靜態(tài)最大接觸應(yīng)力,因此,在旋轉(zhuǎn)機(jī)架長期靜止?fàn)顟B(tài)下,摩擦輪副接觸區(qū)域不會(huì)產(chǎn)生塑性變形。

在對摩擦輪施加約束及對滾筒軌道施加載荷不變的條件下,在滾筒軌道上施加5 596.5 N·m制動(dòng)扭矩,模擬摩擦輪制動(dòng)時(shí)滾筒在摩擦輪上短距離滑動(dòng)的接觸狀態(tài)。摩擦輪副制動(dòng)時(shí)的接觸應(yīng)力云圖如圖14所示。由圖14可知,最大接觸應(yīng)力為695.68MPa。在制動(dòng)過程中,滾筒的接觸區(qū)域承受的最大接觸應(yīng)力為剪切力,在選擇材料時(shí),應(yīng)基于制動(dòng)狀態(tài)下的最大接觸應(yīng)力進(jìn)行選擇。筆者所選用的摩擦輪及滾筒軌道材料,其屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的最大接觸應(yīng)力,所以不會(huì)在制動(dòng)時(shí)造成摩擦輪副表面材料損傷。

圖13 摩擦輪副靜態(tài)接觸狀態(tài)接觸應(yīng)力云圖

圖14 摩擦輪副制動(dòng)時(shí)接觸應(yīng)力云圖

6 接觸疲勞壽命估算

接觸疲勞指零件在接觸循環(huán)應(yīng)力作用下產(chǎn)生局部永久性疲勞損傷,且經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)后,接觸表面發(fā)生麻點(diǎn)、剝落。摩擦輪副在接觸區(qū)域承受周期性壓應(yīng)力及剪切力,接觸疲勞是主要失效形式。接觸疲勞壽命指達(dá)到接觸疲勞破壞所經(jīng)歷循環(huán)載荷的次數(shù)或時(shí)間。

對摩擦輪副進(jìn)行疲勞壽命分析[10],得到疲勞壽命云圖,如圖15所示。由圖15可以看出,滾筒軌道疲勞壽命最小值為5 916 900個(gè)接觸循環(huán)。旋轉(zhuǎn)機(jī)架的工作為間歇工作制,以每日150例患者,每例患者治療2圈,每年260個(gè)工作日計(jì),每年累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約78 000圈。摩擦輪副的接觸疲勞壽命為75.86 a,有足夠長的安全使用壽命,有效保證了旋轉(zhuǎn)機(jī)架使用壽命內(nèi)的安全性。

圖15 摩擦輪副疲勞壽命云圖

7 摩擦輪副材料選擇

摩擦輪副承受法向壓力及切向摩擦力的共同作用,在回轉(zhuǎn)過程中承受脈動(dòng)載荷,載荷發(fā)生周期性變化。摩擦輪副在接觸區(qū)域同時(shí)承受法向壓力、切向拉伸及壓縮力,材料的屈服強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度決定了摩擦輪副疲勞強(qiáng)度的高低。為提高摩擦輪副疲勞強(qiáng)度,應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料。摩擦輪副間存在彈性滑動(dòng),影響傳動(dòng)精度,需要選擇高彈性模量材料來減小彈性滑動(dòng)。摩擦輪副傳遞運(yùn)動(dòng)及精度,材料表面的磨損率要均勻,需保持初始形狀的穩(wěn)定性,因此摩擦輪副需要足夠高的硬度。由于摩擦輪與滾筒軌道間有較大傳動(dòng)比,表面承受的脈動(dòng)載荷更加頻繁,因此摩擦輪的硬度應(yīng)稍高于滾筒軌道的硬度,推薦的布氏硬度(HB)差為100～120。摩擦輪表面受滾壓的次數(shù)是滾筒軌道的7～8倍,摩擦輪早期失效會(huì)損傷滾筒軌道表面,因此應(yīng)采用等壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)。對摩擦輪材料進(jìn)行選擇,要保證基礎(chǔ)性能滿足要求,同時(shí)要兼顧匹配,注重改善材料表面質(zhì)量,耐磨性和疲勞強(qiáng)度均要高。材料機(jī)械性能對摩擦輪副傳動(dòng)性能的影響見表2。

表2 材料機(jī)械性能對摩擦輪副傳動(dòng)性能影響

8 磨損分析

摩擦輪副間存在靜態(tài)接觸、滾動(dòng)接觸、滑動(dòng)接觸三種工況。滑動(dòng)接觸和滾動(dòng)接觸都會(huì)引起磨損,常見的磨損形式有黏著磨損、磨料磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損及微動(dòng)磨損。黏著磨損指摩擦輪副相互咬合運(yùn)動(dòng)時(shí),其中一側(cè)表面金屬粘連至另一側(cè)表面的現(xiàn)象。表面粗糙、材質(zhì)強(qiáng)度低、塑性變形大時(shí),容易發(fā)生黏著磨損,尤其是長期靜態(tài)接觸后開始運(yùn)行時(shí),更容易發(fā)生。磨料磨損指硬質(zhì)異物進(jìn)入摩擦接觸區(qū),在摩擦輪副的運(yùn)行過程中在接觸區(qū)域?qū)δΣ凛喐北砻娈a(chǎn)生刮削作用而造成的磨損。要保持摩擦輪副表面干燥清潔,加強(qiáng)對摩擦接觸區(qū)的防護(hù),減少磨料磨損的發(fā)生。表面疲勞磨損指由于摩擦輪副接觸區(qū)域承受交變接觸壓應(yīng)力,使材料表面產(chǎn)生疲勞,出現(xiàn)剝落、微裂紋的現(xiàn)象。需要選擇高強(qiáng)度材料,對表面進(jìn)行硬化處理,有效提高材料表面接觸疲勞強(qiáng)度,抑制疲勞磨損。微動(dòng)磨損指摩擦輪副在接觸過程中存在軸向竄動(dòng)或振動(dòng),在摩擦接觸區(qū)研磨而產(chǎn)生的磨損。

9 結(jié)束語

筆者對大型精密重載摩擦輪傳動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。影響滾筒回轉(zhuǎn)軸心軌跡的主要因素是滾筒軌道徑向跳動(dòng)及支撐剛度。針對臥式布局的大型精密重載摩擦輪傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)架,通過提高摩擦輪支撐剛度,合理選擇材料,克服打滑,減小彈性滑動(dòng),可以獲得較高的摩擦輪傳動(dòng)精度;需要選擇高強(qiáng)度材料,并進(jìn)行表面硬化處理,以提高接觸疲勞強(qiáng)度。對于摩擦輪傳動(dòng),軸向竄動(dòng)是由摩擦輪副之間軸線傾斜角造成的,通過對摩擦輪廓形進(jìn)行優(yōu)化,改善接觸痕跡及載荷均布狀態(tài),可以有效減小摩擦輪副之間的軸向竄動(dòng)力。