液壓圓錐破碎機(jī)齒輪噪聲研究

秦在智，沈俊萍，汪 洋

洛陽(yáng)大華重工科技股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471023

液壓圓錐破碎機(jī)是礦山、建材等行業(yè)中細(xì)碎作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，具有生產(chǎn)能力高、產(chǎn)品粒型好、工作穩(wěn)定及性能可靠等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于河卵石、花崗巖、石灰石以及有色、黑色金屬礦的破碎作業(yè)[1]。

齒輪傳動(dòng)是液壓圓錐破碎機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中必不可少的一環(huán)，齒輪傳動(dòng)噪聲是液壓圓錐破碎機(jī)噪聲的主要來(lái)源。噪聲污染環(huán)境、降低工作效率，危害人們的身心健康，早已成為威脅人類(lèi)生存的三大公害之一。同時(shí)，噪聲也是液壓圓錐破碎機(jī)質(zhì)量的綜合體現(xiàn)，反映了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造水平，并直接影響其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，控制齒輪傳動(dòng)噪聲既是環(huán)境保護(hù)的迫切需求，也是提高圓錐破碎機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力所必須解決的問(wèn)題。

1 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理

液壓圓錐破碎機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)通常由大、小圓錐齒輪構(gòu)成，如圖 1 所示。其動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)通過(guò)三角帶傳遞給傳動(dòng)軸及小錐齒輪，小錐齒輪驅(qū)動(dòng)大錐齒輪繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，大錐齒輪驅(qū)動(dòng)偏心套部及動(dòng)錐部做偏心運(yùn)行[2]，在破碎腔中進(jìn)行破碎作業(yè)。

圖1 液壓圓錐破碎機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of gear transmission system of hydraulic cone crusher

2 齒輪噪聲產(chǎn)生機(jī)理

2.1 齒輪振動(dòng)噪聲分析

(1) 節(jié)線沖力 在齒輪的每個(gè)嚙合周期中，輪齒并不完全是滾動(dòng)接觸，小齒輪壓力作用點(diǎn)從輪齒齒根移向齒頂，大齒輪壓力作用點(diǎn)從輪齒齒頂移向齒根，因此，在相互嚙合的兩輪齒間出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)。嚙合開(kāi)始時(shí)，相對(duì)滑動(dòng)速度由大變小，在到達(dá)節(jié)圓切點(diǎn)處減小為零；然后改變相對(duì)滑動(dòng)速度的方向，速度由小變大，在嚙合終了時(shí)達(dá)到最大。輪齒間有相對(duì)滑動(dòng)，產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力，當(dāng)相對(duì)滑動(dòng)速度在節(jié)圓切點(diǎn)處改變方向時(shí)，滑動(dòng)摩擦力也隨之改變方向，所產(chǎn)生的沖擊力稱(chēng)為節(jié)線沖力[3]。齒輪傳動(dòng)過(guò)程中周期、脈沖性的節(jié)線沖力是產(chǎn)生齒輪噪聲的主要原因之一。

(2) 嚙合沖力 齒輪在傳動(dòng)過(guò)程中要傳遞轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，輪齒受到彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力，當(dāng)一個(gè)輪齒進(jìn)入嚙合時(shí)開(kāi)始承受載荷，且載荷逐漸增大，而當(dāng)退出嚙合時(shí)輪齒所受載荷由大變小。當(dāng)已嚙合輪齒在受載后略微彎曲，而新進(jìn)入嚙合的輪齒不能與其平滑接觸而發(fā)生碰撞，這種因輪齒受到交替變化應(yīng)力而產(chǎn)生的輪齒間的撞擊力稱(chēng)為嚙合沖力。嚙合沖力造成振動(dòng)，也是產(chǎn)生齒輪噪聲的原因。

2.2 噪聲影響因素分析

液壓圓錐破碎機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)由小錐齒輪、大錐齒輪、傳動(dòng)軸、偏心套、大齒輪座組成，它們密閉在由下架體和密封筒組成的箱體中，這些零部件都是齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲源。大小錐齒輪在嚙合過(guò)程中的周向振動(dòng)和嚙合沖擊產(chǎn)生的噪聲，直接或間接地通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸、偏心套等其他系統(tǒng)零部件傳播到空氣中；同時(shí)，由于沖擊而產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)也使各零部件被激勵(lì)，產(chǎn)生二次振動(dòng)。振動(dòng)噪聲向外傳播，一部分遇到箱體被反射，另一部分被箱體或其他部件吸收，還有一部分則透過(guò)箱壁輻射到箱體外，導(dǎo)致箱體振動(dòng)，箱體對(duì)振動(dòng)噪聲還會(huì)起到放大的作用。

影響液壓圓錐破碎機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲的因素主要有以下幾個(gè)方面：

(1) 齒側(cè)間隙 齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)，為了在嚙合輪齒間形成潤(rùn)滑油膜，避免因輪齒摩擦發(fā)熱膨脹而卡死，輪齒之間必須留有一定間隙，此間隙稱(chēng)為齒側(cè)間隙[4]，如圖 2 所示。齒側(cè)間隙的存在會(huì)造成變載時(shí)嚙合沖力，產(chǎn)生噪聲，因而齒側(cè)間隙應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)。齒側(cè)間隙過(guò)小會(huì)出現(xiàn)嚙合干涉現(xiàn)象，導(dǎo)致噪聲增大；齒側(cè)間隙過(guò)大，輪齒間的嚙合沖力變大，同樣會(huì)使噪聲增大。

(2) 輪齒接觸率 輪齒接觸區(qū)過(guò)小，單個(gè)輪齒受到的嚙合沖力過(guò)大，會(huì)使噪聲增加。輪齒的嚙合接觸區(qū)應(yīng)位于齒面的中部 (偏于小端的中部區(qū)域)，沿齒寬和齒高方向接觸率不小于 50%，載荷越大，嚙合接觸面越應(yīng)靠近錐齒輪的小端。

(3) 加工、安裝誤差 液壓圓錐破碎機(jī)的錐齒輪尺寸比較大，加工難度較高，加工過(guò)程中易產(chǎn)生加工誤差；齒輪、傳動(dòng)軸、偏心套等零部件安裝過(guò)程比較復(fù)雜，難度大、要求高，在安裝過(guò)程中易出現(xiàn)偏差。齒輪加工和安裝過(guò)程產(chǎn)生的誤差，易導(dǎo)致齒輪嚙合傳動(dòng)條件變差，使節(jié)線沖力和嚙合沖力增大，從而產(chǎn)生較大噪聲。

(4) 工況 液壓圓錐破碎機(jī)的作業(yè)環(huán)境一般較為惡劣，粉塵大，生產(chǎn)過(guò)程中常有間斷的強(qiáng)烈沖擊，造成齒輪在嚙合過(guò)程中的波動(dòng)與摩擦，使噪聲增大。

3 噪聲控制措施

(1) 減小齒輪模數(shù) 齒輪嚙合時(shí)的振動(dòng)主要是由輪齒所受的彎曲變形和嚙合剛度變化等引起的，而輪齒的剛度變化又與模數(shù)呈正相關(guān)，因此適當(dāng)減小模數(shù)可減小齒輪的振動(dòng)，從而降低噪聲。

(2) 增加齒寬 齒寬變化引起噪聲改變的原因在于噪聲能量沿齒寬方向上衰減程度不同，齒寬越大，噪聲能量衰減越多，噪聲趨于降低。齒寬的增加可以在一定程度上減小齒輪的計(jì)算應(yīng)力及變形等，有利于減小齒輪的工作噪聲。

(3) 增大重合度 增大重合度可以使單對(duì)輪齒的負(fù)荷減小，從而減輕輪齒嚙合時(shí)的節(jié)線沖擊，降低齒輪噪聲。隨著接觸齒對(duì)的增加，單對(duì)輪齒的傳動(dòng)誤差被平均化，減小了齒輪的嚙合沖擊，從而減小了噪聲。

(4) 增大螺旋角 圓錐齒輪是從輪齒的一端逐漸進(jìn)入嚙合，嚙合沖擊小噪聲就低。一般來(lái)說(shuō)，隨著螺旋角的增大，重合度增大，噪聲降低。

(5) 提高齒輪加工、安裝精度 齒輪的加工、安裝精度越高，輪齒表面粗糙度越小，齒側(cè)間隙和嚙合痕跡控制得就越好，輪齒在嚙合傳動(dòng)過(guò)程中的節(jié)線沖擊和嚙合沖擊就越小，噪聲就越低。

4 噪聲控制實(shí)例

以某型液壓圓錐破碎機(jī)為例，通過(guò)試驗(yàn)說(shuō)明齒側(cè)間隙和輪齒接觸率兩方面對(duì)齒輪傳動(dòng)噪聲的影響。

(1) 在其他條件不變的情況下，僅通過(guò)調(diào)節(jié)齒側(cè)間隙，齒輪傳動(dòng)噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1 所列。

表1 噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù) 1Tab.1 Noise test data 1

試驗(yàn)表明，齒側(cè)間隙應(yīng)控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，過(guò)大或過(guò)小都會(huì)使噪聲增大。實(shí)際上對(duì)于錐齒輪來(lái)講，初始安裝側(cè)隙應(yīng)與齒輪加工出廠記錄基本保持一致，否則還會(huì)影響最佳接觸率的調(diào)整。

(2) 在其他條件不變的情況下，僅通過(guò)調(diào)節(jié)輪齒接觸率，齒輪傳動(dòng)噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 2 所列。

表2 噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù) 2Tab.2 Noise test data 2

試驗(yàn)表明，齒輪接觸情況對(duì)齒輪噪聲的影響較大，輪齒接觸情況較好時(shí)，可有效降低齒輪傳動(dòng)噪聲。

圖3 輪齒接觸情況Fig.3 Gear teeth contact state

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)液壓圓錐破碎機(jī)齒輪傳動(dòng)噪聲實(shí)施控制，既是環(huán)境保護(hù)的需求，同時(shí)又是衡量產(chǎn)品性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。通過(guò)研究噪聲產(chǎn)生機(jī)理，采取優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)、提高生產(chǎn)和裝配精度等多種措施，可達(dá)到降低噪聲、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的目的。