大型精密重載摩擦輪傳動設(shè)計(jì)

郭召

西安大醫(yī)集團(tuán)股份有限公司研發(fā)中心 陜西西安 710000

1 序言

摩擦輪傳動是利用相互壓緊的摩擦輪之間的摩擦力傳遞運(yùn)動及動力的一種精密傳動機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、加工精度易保證、無反向間隙且可無級分度，在大中型精密回轉(zhuǎn)運(yùn)動中具有一定應(yīng)用價值。李洪波等人以回轉(zhuǎn)窯托輪為研究對象，介紹了托輪的接觸疲勞設(shè)計(jì)；董潔等人對起重機(jī)重載車輪的動態(tài)接觸進(jìn)行了研究；楊鵬等人借助有限元對起重機(jī)輪軌接觸應(yīng)力進(jìn)行了分析；王鵬等人研究了起重機(jī)車輪表面硬度對應(yīng)力場的影響。上述研究主要集中在對承載用輪對的接觸、疲勞及強(qiáng)度的研究，對精密重載傳動用摩擦輪副的研究較少。

摩擦輪傳動在重載工況下面臨高接觸應(yīng)力、高磨損的難題，在臥式回轉(zhuǎn)運(yùn)動中還要防止軸向竄動。本文結(jié)合課題開發(fā)的大型精密旋轉(zhuǎn)機(jī)架，對精密重載摩擦輪傳動設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

2 摩擦輪傳動應(yīng)力狀態(tài)及主要失效形式

摩擦輪副赫茲接觸應(yīng)力如圖1所示，驅(qū)動機(jī)架旋轉(zhuǎn)的摩擦輪副為圓柱型摩擦輪副，外圓相切。根據(jù)赫茲接觸理論，在靜態(tài)接觸狀態(tài)下，接觸區(qū)域承受沿法向的集中接觸應(yīng)力，接觸區(qū)域相對幾何切線對稱，寬度2a。摩擦輪副接觸區(qū)受力及彈性滑動產(chǎn)生機(jī)理如圖2所示，在接觸區(qū)域，滾筒軌道受到和其旋轉(zhuǎn)方向相同的摩擦力Ft2作用后開始轉(zhuǎn)動。在這一過程中，滾筒軌道表面材料先受到拉伸作用，后受到壓縮作用。摩擦輪承受和其旋轉(zhuǎn)方向相反的摩擦力Ft1，其表面材料先壓縮后拉伸。在連續(xù)運(yùn)行過程中，摩擦輪副表面持續(xù)受到法向應(yīng)力、拉伸應(yīng)力及壓縮應(yīng)力的周期性作用。利用有限元對傳動過程中接觸區(qū)域及相鄰影響區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。摩擦輪副靜態(tài)接觸時應(yīng)力分布如圖3所示，接觸區(qū)最大應(yīng)力479.01MPa；對摩擦輪副施加驅(qū)動扭矩時應(yīng)力分布如圖4所示，接觸區(qū)最大應(yīng)力達(dá)到695.68MPa。

圖1 摩擦輪副赫茲接觸應(yīng)力示意

圖2 摩擦輪副接觸區(qū)受力及彈性滑動產(chǎn)生機(jī)理示意

圖3 摩擦輪副靜態(tài)接觸時應(yīng)力分布

圖4 對摩擦輪副施加驅(qū)動扭矩時應(yīng)力分布

摩擦輪傳動過程中摩擦輪副承受切向的往復(fù)拉伸及壓縮作用，并承受交變的法向載荷，摩擦接觸區(qū)及兩側(cè)影響區(qū)始終處于高交變應(yīng)力狀態(tài)，其失效形式以疲勞點(diǎn)蝕為主，同時磨損量不容忽視。

3 摩擦輪副材質(zhì)的選擇及匹配

摩擦輪副在接觸區(qū)域同時承受法向壓力及切向拉伸力和壓縮力的作用，材料的屈服強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度在一定程度上反映了疲勞強(qiáng)度的高低，為提高疲勞強(qiáng)度，應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料。彈性模量決定摩擦輪副的局部剛度，低彈性模量材料在接觸區(qū)域變形大，因而接觸區(qū)域較大，可以降低接觸應(yīng)力，但接觸面積增大，彈性滑動也會增加，影響傳動精度；高彈性模量材料接觸區(qū)域變形小，接觸區(qū)域穩(wěn)定，所造成的高接觸應(yīng)力問題可以通過選用高強(qiáng)度材料加以改善，因此摩擦輪副應(yīng)選用高彈性模量材料。摩擦輪在進(jìn)入和脫離接觸區(qū)時分別承受拉伸及壓縮作用，會在摩擦輪副表面產(chǎn)生微觀車削效應(yīng)，造成表面磨損，尤其在制動時，驅(qū)動摩擦輪處于靜止?fàn)顟B(tài)，從動摩擦輪在大慣量帶動下沿摩擦輪表面滑移一定角度，導(dǎo)致局部磨損加劇，因此硬度的匹配是減少磨損的重要 手段。

為選擇合理的摩擦輪副材料，在原理樣機(jī)試制階段，選擇了4種材質(zhì)配對方案，其關(guān)鍵力學(xué)性能參數(shù)見表1。圖5為所開發(fā)的旋轉(zhuǎn)機(jī)架空載狀態(tài)實(shí)物，機(jī)架滾筒的軌道為從動摩擦輪，滾筒集成負(fù)載后總重約10t。為模擬整機(jī)設(shè)備在醫(yī)院中的使用工況，設(shè)置運(yùn)行速度為1r/min，觀察摩擦輪副表面狀態(tài)。滾筒累計(jì)承載運(yùn)行3萬轉(zhuǎn)后，驅(qū)動摩擦輪表面狀態(tài)對比如圖6所示。

圖6 驅(qū)動摩擦輪承載運(yùn)行后表面狀態(tài)對比

表1 摩擦輪副材質(zhì)配對方案及關(guān)鍵力學(xué)性能參數(shù)

圖5 旋轉(zhuǎn)機(jī)架空載狀態(tài)實(shí)物

圖6a為表1中方案1對應(yīng)的摩擦輪表面狀態(tài)，持續(xù)運(yùn)行后摩擦輪表面完整，有污跡，用酒精擦拭后可恢復(fù)光澤。圖6b為表1中方案2對應(yīng)的摩擦輪表面狀態(tài)，持續(xù)運(yùn)行后驅(qū)動摩擦輪表面有黑色膜狀附著物，干燥隆起，用刮板輕刮可去除，輪面和周圍非接觸區(qū)相比，光澤度降低，回轉(zhuǎn)精度未降低。圖6c為表1中方案3對應(yīng)的摩擦輪表面狀態(tài)，持續(xù)運(yùn)行后驅(qū)動摩擦輪表面出現(xiàn)黑色焦皮，用刮板輕刮可去除，輪面和周圍非接觸區(qū)相比，光澤度降低，回轉(zhuǎn)精度未降低。圖6d為表1中方案4對應(yīng)的摩擦輪表面狀態(tài)，持續(xù)運(yùn)行后驅(qū)動摩擦輪表面完整，有光澤。

通過對比測試，筆者認(rèn)為在大型精密重載摩擦輪傳動設(shè)計(jì)中，摩擦輪副應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，采用較高的硬度，建議參照硬齒面齒輪的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。從動摩擦輪硬度范圍（400±30）HBW，驅(qū)動摩擦輪的硬度應(yīng)高于從動輪硬度。通過實(shí)際測試驗(yàn)證，筆者推薦的硬度差為100～120HBW。

4 軸向竄動的分析及抑制

臥式布局的大型重載精密摩擦輪傳動需要克服軸向竄動的問題。常見的竄動形式有單一軸向竄動和往復(fù)軸向竄動。單一軸向竄動不隨旋轉(zhuǎn)方向改變，主要由軸線傾斜引起；往復(fù)軸向竄動隨著旋轉(zhuǎn)方向改變，呈螺旋往復(fù)運(yùn)動規(guī)律。摩擦輪自身加工誤差、安裝誤差及承載后的形變會造成摩擦輪副相對位置的變化，導(dǎo)致驅(qū)動摩擦輪軸線與從動摩擦輪軸線不平行，存在扭轉(zhuǎn)角θ或傾斜角γ，這是摩擦輪傳動過程中產(chǎn)生軸向竄動的主要原因。

扭轉(zhuǎn)角是引起往復(fù)軸向竄動的主要原因，如圖7所示，當(dāng)驅(qū)動摩擦輪與從動摩擦輪之間存在扭轉(zhuǎn)角θ時，驅(qū)動摩擦輪產(chǎn)生的摩擦力作用在從動摩擦輪表面，作用點(diǎn)位于接觸點(diǎn)，作用方向垂直于驅(qū)動摩擦輪軸線。摩擦力帶動從動摩擦輪繞其軸線回轉(zhuǎn)，由于從動摩擦輪回轉(zhuǎn)軸線固定，實(shí)際的回轉(zhuǎn)驅(qū)動力為Fr＝Fcosθ，與此同時，沿回轉(zhuǎn)軸線產(chǎn)生Fa＝Fsinθ的軸向力。驅(qū)動摩擦輪換向時，作用在從動摩擦輪上的軸向力方向改變。

圖7 存在扭轉(zhuǎn)角θ時的受力示意

在整機(jī)設(shè)備中，滾筒軌道為從動摩擦輪，由4個驅(qū)動摩擦輪支承，回轉(zhuǎn)軸線水平。當(dāng)驅(qū)動摩擦輪與從動摩擦輪之間存在傾斜角γ時（見圖8），滾筒在重力作用下發(fā)生軸線傾斜，重力沿回轉(zhuǎn)軸線產(chǎn)生分量，導(dǎo)致單一方向的軸向竄動。

圖8 傾斜角γ示意

通過對摩擦輪廓形進(jìn)行修形優(yōu)化，可以改變接觸位置，降低對安裝精度的要求，改善接觸狀態(tài)，抑制軸向竄動。圓柱型摩擦輪理論上為線接觸，其接觸軌跡為其幾何相切線，但由于加工誤差、安裝誤差及承載后的形變誤差的存在，會造成摩擦輪副之間的相對位置變化，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角和傾斜角。通過對摩擦輪廓形進(jìn)行修形優(yōu)化，可以降低上述誤差的影響，減小扭轉(zhuǎn)角及傾斜角，同時可以改善接觸狀態(tài)，提高疲勞壽命。

5 結(jié)束語

摩擦輪在傳動過程中，接觸區(qū)域及兩側(cè)影響區(qū)同時承受高法向集中載荷及沿切向的周期性拉伸和壓縮載荷，表層材料先壓縮后拉伸，承受交變應(yīng)力，疲勞點(diǎn)蝕是其主要失效形式。選用高強(qiáng)度材料通過熱處理提高硬度可以提高疲勞壽命，但在硬度匹配上驅(qū)動輪的硬度應(yīng)高于從動輪，推薦硬度差 100～120HBW。