調度絞車行星輪架的“曲線”測繪與修復

張志偉

(河北天擇重型機械有限公司， 河北 邯鄲 056200)

0 引言

JD系列調度絞車在市場應用廣泛正是因為其具有操作方便、可靠性高、小巧緊湊、剛度足、使用效率強、穩(wěn)定性強、噪聲污染低等諸多優(yōu)點。該調度絞車不僅可以用于各類礦廠工地和建筑工地等進行運輸和相關輔助工作，也可以用在各類煤礦工地中進行牽引。因為使用了相應的行星輪系和內齒輪傳動裝置一起構成的減速裝置，并將該裝置塞入卷筒中，卷筒一側被電動機裝入，所以該調度絞車體積才能小巧緊湊。操作靈活是因為在調度絞車中使用了相應的滾動軸承。調度絞車包含電動機、相應底座、托架以及卷筒、保護裝置。為成功搬運，使用電動機經減速機構提供力矩，利用卷筒和鋼繩摩擦進行裝置的啟停。

1 問題存在及“曲線”尋解剖析

在為冀中能源峰峰集團某礦拆檢修復如圖1所示的90 kW調度絞車行星輪架緊急任務時，由于設備使用年限長，行星輪架磨損嚴重，無法正常測繪三孔中心距、相鄰行星輪中心距等重要數據，且未能找到相關圖紙等技術資料，修理工作一度陷入僵局。

圖1 傳動機構

經多方考察和研究90 kW調度絞車結構發(fā)現(xiàn)，該絞車結構包含公用行星輪G組成的NGW型行星齒輪傳動結構[1]和行星輪和太陽輪組合的內嚙合齒輪副N以及行星輪和太陽輪組成的外嚙合齒輪副W。依據同心條件，為保證行星傳動機構中的太陽輪與行星齒輪規(guī)范嚙合，各嚙合齒輪間的中心距必須相等，即中心輪F與行星輪X的中心距aFX應等于任一行星輪X與大內齒圈Q的中心距aXQ。依據裝配條件，應保證3個行星齒輪能均布地安裝于太陽輪和大內齒圈之間，并且與太陽輪和大內齒圈嚙合良好，沒有齒部嚙合不均現(xiàn)象。

依據鄰接條件，必須保證3個行星齒輪間均不得有空間干涉，并留有適當間隙，一般取不小于0.5倍模數的距離。因此對行星輪架的軸孔中心距公差及形位偏差有較高的精度要求。同時，為了保證行星輪與內齒輪的正確嚙合，對行星齒輪的相對位置也有很高的位置精度要求：

1) 中心距極限偏差。為有效保證行星齒輪均載運行，減少行星架和其上行星輪軸孔間距偏差導致運動方向和幅值不同，接著影響相鄰軸孔之間的弦距誤差測得的實際值，故要求各行星齒輪機構中中心距同向同值，即各齒輪副中心距之間的相對誤差無限趨近于零，一般控制在0.01～0.02 mm。

2) 相鄰行星輪軸孔距偏差。必須嚴格控制對各行星輪間載荷分配均衡性影響較大因素的相鄰行星輪軸孔距偏差。

3) 浮動性的軸向間隙。為避免影響太陽輪浮動和均載效果，導致摩擦發(fā)熱和產生噪聲，對于采用均載機構為基本構件浮動的該行星傳動，應在修復加工與裝配時考慮使太陽輪有足夠的軸向間隙。

4) 其他主要零件的精度及技術要求。座體、端蓋、輸入軸、輸出軸等零部件間的相互配合，端面、定位端面及軸承安裝位的表面之間的同軸度、徑向圓跳動和端面跳動可按GB/T 10595—2017形位公差標準中的5～8級精度選用相應公差值。

所以，通過測繪行星齒輪傳動機構齒輪間的嚙合關系來反推行星架三孔中心距及相鄰行星輪中心距等重要數據不失為一條可行的“曲線”解決辦法。

2 數據測繪、反向求解及三維實體動態(tài)仿真

2.1 數據測繪

通過測繪得到的數據如表1所示。

表1 測繪數據統(tǒng)計表

1) 通過測繪齒數、齒頂圓直徑、公法線等參數可反向計算出齒輪部件的模數及變位系數，跨測齒數k查表可得[1]。

2) 經仔細觀察，中心輪、行星輪、內齒圈均為直齒輪傳動結構，齒部完好，可測繪出較準確數據。

3) 中心輪、行星輪為外齒結構，可用游標卡尺測出公法線數據。內齒圈為內齒結構，齒數為絞車齒槽數，跨測齒數為絞車跨測齒槽數，公法線Wn因無專用量棒，游標卡尺受空間限制無法使用等客觀原因而無法測量數值。

2.2 反向求解

依據漸開線圓柱齒輪傳動的幾何計算表以及漸開線圓柱齒輪傳動的公法線長度計算公式表[1]，將測繪所得數據代入以下相關公式：

中心距a=1/2(d1±d2)+ym=1/2m(Z1±Z2)+ym

(1)

公法線長度W=(W*+△W)m

(2)

其中，W*=cosα[π(k-0.5)+zinvα]

△W=2xsinα

本文數據計算中借助了鄭州煤機研究所研發(fā)的CAD齒輪設計校核軟件及依據公式二編輯設計的漸開線變位圓柱直齒輪公法線計算Excle表。

經計算，得到反向求解數據如表2所示。

表2 反向求解數據統(tǒng)計表

根據反向求解的數據結果可以分析得出，該設備為角變位齒輪的NGW型行星齒輪傳動結構，根據行星齒輪機構的鄰接條件、裝配條件、同心條件原理，最終可確定行星輪架上3個行星齒輪孔的中心距為φ361，相鄰的兩行星齒輪中心距為312.6mm，得出NGW型行星齒輪結構圖如圖2所示，行星架測繪圖如圖3所示。

圖2 NGW型行星齒輪結構

圖3 行星架測繪圖

注：內齒圈齒數為齒槽數，跨測齒數為跨測齒槽數。

2.3 SoliderWorks三維實體動態(tài)仿真及檢測

依據計算所得數據分別將各零部件在SoliderWorks三維實體軟件中繪制成零部件，建立裝配組合體，如圖4、圖5所示分別進行干涉檢測和旋轉零部件碰撞檢測[2]，各齒輪傳動部件運行正常，無干涉和碰撞現(xiàn)象。

圖4 SoliderWorks三維實體干涉檢查

圖5 SoliderWorks三維實體旋轉碰撞檢查

3 修復工藝及要求

3.1 軸的修復工藝及要求

拆解后，經用外徑千分尺測量知長軸裝配軸承處軸徑分別為：φ150-0.07mm、φ180-0.06mm，正常裝配值應為φ150+0.028mm、φ180+0.028mm，表面磨損約0.05 mm，故采用刷鍍修復工藝。[2]刷鍍又稱涂鍍或無槽電鍍，是一種借助電化學方法。電鍍層更加均勻、致密性好、光潔度高、增強了被鍍件的耐磨性，鍍后一般不用再機械加工[3]。

刷鍍的主要作用包括：

1) 可最大程度修復加工超差件及零件的表面磨損，保證修復后尺寸精度和幾何形狀精度符合圖紙設計要求。

2) 填補零件表面的劃傷、溝槽、凹坑、斑蝕等表面缺陷。

3) 通過提升新品表面強度，使其具有更高的力學性能和更好的物化性能。

軸的修復工藝要求：

1) 表面修整。在刷鍍前用煤油將軸上裝軸承部位需鍍表面擦拭干凈，露出原金屬光澤，達到形位精度和表面粗糙度要求，以求獲得均勻鍍層。

2) 刷鍍工裝的設置。將表面修整后的軸裝夾在C6130機床上，鍍筆夾牢，調整機床速度為60 r/min，進行連續(xù)均勻刷鍍。按要求調整電源、電流量。提前準備好表面處理材料、專用鍍筆及其他輔助工具。

3) 電靜處理。為進一步有效解離一般溶劑清洗后的表殘留油膜，促使水膜均勻滿布、無干斑，表面可用電凈液通電以鍍筆涂刷，再經乳化或皂化后用水沖洗。

4) 表面活化處理。為使軸表面出現(xiàn)新鮮原金屬色澤和無花斑，應在通電狀態(tài)下用專用鍍筆沾上活化液刷抹零件表面，通過氣泡的機械剝離作用，電化學相應反應形成氣泡的機械剝離作用來達到去除氧化膜的目的。

5) 刷過鍍層。將專用刷鍍筆接正極，鍍液預熱至55 ℃，立即對經表面活化處理后的磨損部位刷鍍過渡層。

1.學生對學習認識上的偏差。對發(fā)現(xiàn)知識、了解知識、掌握和運用知識的難度估計不足或認識不深，以為輕而易舉，結果一旦遇到困難便知難而退。缺乏對學習難度充分認識的心理準備，由此滋生厭學情緒。

6) 刷鍍工作層。首先將鍍液預熱至55 ℃，啟動電源開始刷鍍工作層。將預定鍍層厚度0.05 mm，工作層數5層儲存在計數器中，按所用鍍液選擇電壓和相對運動速度，設置為自動控制鍍層厚度，當達到預定厚度時，即有聲光信號報警。

7) 鍍后處理。軸磨損部位刷鍍完后，應用清水沖凈表面殘留物，并清除毛刺、修整邊角及進行防銹處理。

3.2 行星架的修復工藝及要求

鑒于行星架在行星齒輪傳動機構中的重要性，對磨損較嚴重的內孔部位及端面先進行補焊處理，然后轉TKP6513數控臥式鏜銑床以行星架與長軸配合的軸徑內孔加工面為基準，修復各行星輪定位孔及端面，保證各行星輪定位孔與內孔的同軸度、端面平行度均達到圖紙要求的7級公差標準，內孔表面粗糙度3.2 μm,端面粗糙度6.3 μm。補焊工藝要求：

圖6 軸的修復工藝基本流程

1) 在焊前需將行星輪定位孔補焊區(qū)域及坡口周圍40 mm以內的鐵銹、油污、粘砂等雜質清除干凈，露出金屬光澤為宜[4]。

2) 依據行星架材質ZG40Cr低合金鑄鋼的力學性能和化學成分，焊接材料適合選用ER55-D2實芯焊絲。環(huán)境溫度應高于10 ℃，所以應在空氣對流相對較小的室內場所焊接。

3) 因行星架壁厚較薄≤10 mm，形狀相對簡單、缺陷小，故焊前不再進行預熱。

5) 焊后消應力熱處理溫度應低于性能回火溫度20 ℃～80 ℃，保溫時間根據缺陷焊接厚度來決定，最低保溫時間在3 h以上。

4 結論

本文通過應用漸開線行星齒輪傳動機構間齒輪相互嚙合的工作原理和SoliderWorks三維實體動態(tài)仿真技術成功求解判斷出90 kW調度絞車行星輪架中行星輪的中心距等重要部位的關鍵原始數據。

對磨損的行星輪架進行修復后,一年多來設備運行正常，礦方反饋良好，有力證明了該技術在實現(xiàn)重要設備再利用，節(jié)約設備成本投入的工作中切實可行，發(fā)揮了關鍵作用。