鍛造操作機(jī)減速機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王高鋒，徐鴻鈞

(中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

鍛造操作機(jī)是鍛壓機(jī)組中最主要的輔機(jī)，是鍛造車(chē)間實(shí)現(xiàn)鍛造機(jī)械化與自動(dòng)化的重要設(shè)備。它主要用于夾持鍛件來(lái)配合壓機(jī)完成鍛造作業(yè)，其工作特點(diǎn)是沖擊載荷大、慣性大、自由度多、工礦惡劣。鍛造操作機(jī)分為全機(jī)械式、全液壓式、機(jī)械液壓混合式等多種驅(qū)動(dòng)形式，所用減速機(jī)有鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)和大車(chē)行走減速機(jī)兩種。本文結(jié)合中國(guó)重型機(jī)械研究院對(duì)1～3 MN鍛造操作機(jī)用減速機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，以全液壓式有軌鍛造操作機(jī)為例，對(duì)鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)和大車(chē)行走減速機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用予以討論。

1 鍛造操作機(jī)及其減速機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.1 操作機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及其功能

如圖1所示，鍛造操作機(jī)主要由主框架、前后輸送架、連桿、平衡桿、前后輪組、提升缸、水平缸、傾動(dòng)缸、前后側(cè)移、動(dòng)力頭、夾鉗頭、鉗臂等部分組成。

圖1 操作機(jī)的實(shí)物圖Fig.1 Picture of forging manipulator

操作機(jī)夾持鋼錠做翻轉(zhuǎn)、提升、傾斜、側(cè)移、側(cè)擺和進(jìn)退等動(dòng)作。其中，鉗桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和大車(chē)行走機(jī)構(gòu)需要減速機(jī)來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和力。

1.2 鉗桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

鉗桿旋轉(zhuǎn)采用大力矩液壓馬達(dá)后置驅(qū)動(dòng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)減速機(jī)輸出軸的小齒輪與位于回轉(zhuǎn)套筒上的大齒圈嚙合，將動(dòng)力傳遞到回轉(zhuǎn)套筒上，回轉(zhuǎn)套筒與鉗頭用螺栓連為一體，從而帶動(dòng)鉗頭旋轉(zhuǎn)。鉗架前后軸承分別安裝在前后軸承座中，均采用調(diào)心滾子軸承，前調(diào)心滾子軸承主要用于承載徑向力，后調(diào)心滾子軸承用于消除鉗架在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中彎曲變形對(duì)軸承產(chǎn)生的附加力。旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)和齒輪位于鉗身后部。其機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鉗桿及鉗頭旋轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of rotation mechanism for nippling lever and tong head

鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，由摩擦片式停車(chē)制動(dòng)器，兩級(jí)或三級(jí)NGW型行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和輸出小齒輪組成。減速機(jī)通過(guò)螺栓連接在操作機(jī)機(jī)架上。鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)帶載頻繁起動(dòng)和制動(dòng)，頻繁正反向旋轉(zhuǎn)，工況非常惡劣。鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)兩級(jí)行星傳動(dòng)原理如圖3所示。

圖3 鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)兩級(jí)行星傳動(dòng)原理圖Fig.3 Transmission principle of two-stage epicyclic gears in nippling lever rotation reducer

1.3 大車(chē)行走機(jī)構(gòu)

大車(chē)行走機(jī)構(gòu)位于鍛造操作機(jī)的底部，完成前進(jìn)、后退、起動(dòng)、停止動(dòng)作。大車(chē)行走機(jī)構(gòu)由車(chē)體和行走機(jī)構(gòu)兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。車(chē)體承擔(dān)著操作機(jī)自身的重量和坯料的重量。行走機(jī)構(gòu)由大力矩液壓馬達(dá)后置驅(qū)動(dòng)，通過(guò)行走減速機(jī)帶動(dòng)鏈輪在軌道上行走。

大車(chē)行走減速機(jī)由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，固定端通過(guò)螺栓和鍛造操作機(jī)車(chē)體連接在一起，輸出端通過(guò)螺栓和鏈輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)。大車(chē)行走減速機(jī)一般為三級(jí)或四級(jí)NGW型行星齒輪減速機(jī)，不帶制動(dòng)器，需要制動(dòng)時(shí)，通過(guò)液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。根椐操作機(jī)的具體結(jié)構(gòu)要求，大車(chē)行走減速機(jī)的輸出方式有兩種，一種是減速機(jī)低速級(jí)行星架輸出，如圖4a所示;一種是減速機(jī)低速級(jí)內(nèi)齒圈輸出，如圖4b所示。

圖4 大車(chē)行走機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Diagram of moving mechanism beneath forging manipulator

大車(chē)行走減速機(jī)也存在頻繁起動(dòng)和停止，頻繁正反向運(yùn)動(dòng)等工況，其三級(jí)NGW型行星齒輪減速機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

圖5 鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)三級(jí)行星傳動(dòng)原理圖Fig.5 Transmission principle of three-stage epicyclic gears in nippling lever rotation reducer

2 減速機(jī)的載荷計(jì)算

2.1 鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)的載荷計(jì)算

鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)需要承受的靜載荷，可以按照操作機(jī)公稱(chēng)載重量產(chǎn)生的靜彎矩進(jìn)行計(jì)算。液壓馬達(dá)經(jīng)減速器傳到鉗桿上的扭矩Mk，須克服鉗桿軸承處的摩擦阻力矩Mf1、鍛件與下砧面的摩擦阻力矩Mf2、鍛件偏心力矩Me以及鉗桿旋轉(zhuǎn)時(shí)慣性力矩MI之后鉗桿才能運(yùn)轉(zhuǎn)，即

式中，力矩Mf1、Mf2、Me、MI的計(jì)算都是與公稱(chēng)載重量 (含鉗頭部重量)有關(guān)。

由操作機(jī)在工作狀態(tài)下的實(shí)測(cè)表明，有關(guān)零部件承受的動(dòng)態(tài)力遠(yuǎn)大于靜態(tài)計(jì)算力，因?yàn)橛?jì)算靜載荷時(shí)未能計(jì)及來(lái)自鍛造作業(yè)時(shí)沖擊載荷的影響。表1為對(duì)DYH－2操作機(jī)部分零件靜、動(dòng)態(tài)應(yīng)力實(shí)際測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)。可以看出，在前懸掛點(diǎn)之前直接承受沖擊的鉗臂，動(dòng)靜應(yīng)力之比在4左右，以后各件逐漸減小，到車(chē)架為2左右，證明鉗臂杠桿承受最大動(dòng)載荷。

由于鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)通過(guò)輸出小齒輪和鉗桿的大齒輪嚙合傳動(dòng)，承受的動(dòng)靜載荷之比也將在4左右。

表1 操作機(jī)部分零件靜、動(dòng)態(tài)應(yīng)力及動(dòng)載荷系數(shù)Table 1 Static stress，dynamic stress and live load coefficient of some parts on manipulator

2.2 大車(chē)行走減速機(jī)的載荷計(jì)算

大車(chē)行走減速機(jī)需要承受的靜載荷，可以通過(guò)計(jì)算鏈輪的摩擦力來(lái)獲得。根據(jù)表1，對(duì)于大車(chē)行走減速機(jī)需要承受的動(dòng)載荷，大概是靜載荷的2倍左右。

3 減速機(jī)使用工況及其系數(shù)選取

3.1 鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)工況及其系數(shù)選取

夾持鍛件頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)、停止是鍛造工藝對(duì)操作機(jī)動(dòng)作的基本要求。這就要求鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)頻繁正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，頻繁制動(dòng)。由于壓機(jī)頻繁鍛壓鍛件，不時(shí)有瞬間動(dòng)態(tài)載荷對(duì)鍛造操作機(jī)造成沖擊，其動(dòng)態(tài)載荷經(jīng)過(guò)夾鉗→大齒輪→小齒輪→鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)→液壓馬達(dá)，最后被液壓緩沖系統(tǒng)吸收。鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)與鍛造操作機(jī)直接剛性連接，直接承受動(dòng)態(tài)載荷。在操作機(jī)實(shí)際使用中，夾持鍛件偏心也能夠引起載荷非常大的變化。這些工況都對(duì)鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)的性能提出了非常高的要求。

另一方面，從操作機(jī)的使用時(shí)間來(lái)看，主要分為裝料取料用時(shí)、鍛壓用時(shí)、大車(chē)行走用時(shí)、鉗桿旋轉(zhuǎn)用時(shí)。即鍛造壓機(jī)和操作機(jī)24小時(shí)工作，大車(chē)行走減速機(jī)和鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)每天工作時(shí)間分別不會(huì)超過(guò)7 h。

考慮上述工況，并留有一定的安全余量，以工作轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)時(shí)，工況系數(shù)取KA≥2.25。

3.2 大車(chē)行走減速機(jī)工況及其系數(shù)選取

大車(chē)行走減速機(jī)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)鍛造操作機(jī)的前進(jìn)、后退和停止，同樣存在頻繁正反轉(zhuǎn)動(dòng)，頻繁制動(dòng)。

由于鍛造操作機(jī)和鍛件質(zhì)量很大，為減小起停沖擊，操作機(jī)設(shè)計(jì)了緩沖系統(tǒng)。這樣一來(lái)，對(duì)大車(chē)行走減速機(jī)造成的沖擊就不是非常強(qiáng)烈。因此，按工作轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)大車(chē)行走減速機(jī)時(shí)，工況系數(shù)取 KA≥1.8。

4 減速機(jī)設(shè)計(jì)

4.1 速比與傳動(dòng)形式

統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)幾個(gè)主要廠(chǎng)家生產(chǎn)的0.3 MN、0.6 MN、0.8 MN、1 MN、1.8 MN、3 MN鍛造操作機(jī)的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，其鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)的總速比在35～70之間，大車(chē)行走減速機(jī)的速比90～300之間。

鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)的速比i＜38時(shí)，如上圖3所示，采用兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，如果速比i＞38，采用三級(jí)行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。如果在速比i＞38時(shí)，采用兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，就對(duì)減速機(jī)的兩級(jí)齒輪傳動(dòng)的等強(qiáng)度提出了挑戰(zhàn)。因?yàn)檫@將造成高速級(jí)速比將會(huì)在10左右，甚至更大，結(jié)構(gòu)上又有尺寸限制，不能過(guò)大，因此太陽(yáng)輪將比較小，兩級(jí)行星傳動(dòng)不易形成等強(qiáng)度傳動(dòng)。采用三級(jí)傳動(dòng)，能夠提高減速機(jī)各級(jí)強(qiáng)度及各級(jí)之間的等強(qiáng)度?；谕瑯拥牡览?，大車(chē)行走減速機(jī)的速比i＜240時(shí)，采用三級(jí)行星齒輪傳動(dòng);速比i＞240時(shí)，采用四級(jí)行星齒輪傳動(dòng)。

4.2 齒輪設(shè)計(jì)

齒輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)是減速機(jī)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容。對(duì)于鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)和大車(chē)行走減速機(jī)，由于既要承受靜態(tài)載荷，又要承受動(dòng)態(tài)載荷，同時(shí)又不是24 h連續(xù)工作，因此，在滿(mǎn)足使用強(qiáng)度的前提下，齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)比齒面接觸強(qiáng)度要求高一些。一般按照減速機(jī)工作輸出扭矩計(jì)算，依據(jù)使用工況選取系數(shù)，要求δH≥1.3，δF≥1.1。

在鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)和大車(chē)行走減速機(jī)中，太陽(yáng)輪、行星輪采用鍛件，材料選用17Cr2Ni2Mo、20CrNi2Mo等優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼，滲碳淬火磨齒，齒面精度為GB/T 1095的6級(jí)，內(nèi)齒輪采用鍛件，材料選用40CrNiMo、42CrMo等優(yōu)質(zhì)中碳合金鋼，氮化處理，齒面精度為GB/T 1095的7級(jí)。

鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)輸出小齒輪采用鍛件，材料選用40CrNiMo、42CrMo等優(yōu)質(zhì)中碳合金鋼，為防止出現(xiàn)磨損失效，不能僅僅采用調(diào)質(zhì)處理，而要采取滲碳淬火磨齒工藝，齒面精度達(dá)到GB/T 1095的6級(jí)。

4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)和大車(chē)行走減速機(jī)，由于行星輪采用多輪機(jī)構(gòu)，同時(shí)太陽(yáng)輪浮動(dòng)，通過(guò)正確確定各均載構(gòu)件的浮動(dòng)量，使各個(gè)行星輪之間載荷平均分配。兩級(jí)齒輪傳動(dòng)之間通過(guò)鼓形齒連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、也有利于保證均載效果。

對(duì)于行星齒輪減速機(jī)，行星架的結(jié)構(gòu)對(duì)整機(jī)性能的影響很大。在鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)和大車(chē)行走減速機(jī)中，低速級(jí)行星架采用整體式雙臂結(jié)構(gòu)，選用40CrNiMo、42CrMo等優(yōu)質(zhì)中碳合金鋼鍛造，能夠承受強(qiáng)的沖擊，剛度好。

在整個(gè)減速機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，充分利用各種計(jì)算分析軟件，對(duì)減速機(jī)承受靜態(tài)、動(dòng)態(tài)載荷的情況進(jìn)行全面分析，在此基礎(chǔ)上合理確定各主要零部件的結(jié)構(gòu)及尺寸。

另外，鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)的靜態(tài)制動(dòng)力矩，一般取輸入力矩的1.3倍，開(kāi)啟油壓在3～5 MPa。鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)和大車(chē)行走減速機(jī)都不是24 h連續(xù)工作，采用油池潤(rùn)滑就能滿(mǎn)足使用要求。

5 應(yīng)用及注意事項(xiàng)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，從2007年0.6 MN鍛造操作機(jī)減速機(jī)的開(kāi)發(fā)及投入使用開(kāi)始，中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司已完成開(kāi)發(fā)了用于0.1 MN～0.3 MN鍛造操作機(jī)的專(zhuān)用減速機(jī)系列產(chǎn)品。目前，多個(gè)規(guī)格的產(chǎn)品已投入應(yīng)用，總體使用情況良好，但在應(yīng)用過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些需要注意的問(wèn)題，具體可概括為:

(1)應(yīng)準(zhǔn)確評(píng)估操作機(jī)的工作載荷，確定好所用減速機(jī)的規(guī)格，以免因選型過(guò)小而導(dǎo)致產(chǎn)品工作壽命短，故障頻發(fā)。

(2)由于鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)與鍛造操作機(jī)剛性連接，直接承受動(dòng)態(tài)載荷。因此其連接處應(yīng)考慮采用連接銷(xiāo)。另外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)增加緩沖環(huán)節(jié)的可行性進(jìn)行探討，變剛性連接為柔性連接，以減輕動(dòng)載荷造成的沖擊。

(3)實(shí)際操作過(guò)程中，由于鍛件形態(tài)各異，偏心載荷變化大，鉗桿夾持鍛件時(shí)要盡量做到少偏心，不偏心，如遇特殊情況應(yīng)精心操作。因此需要對(duì)相關(guān)操作人員加強(qiáng)培訓(xùn)，提高現(xiàn)場(chǎng)操作水平。

總之，只要認(rèn)真執(zhí)行操作規(guī)程，精心維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理好使用中的問(wèn)題，操作機(jī)減速機(jī)就能安全可靠工作。

6 結(jié)論

本文根據(jù)鍛造操作機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作特點(diǎn)，提出了鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)和大車(chē)行走減速機(jī)載荷的計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)減速機(jī)工況的分析，得到工況系數(shù)，并對(duì)減速機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了討論，最后介紹了具體應(yīng)用實(shí)例及應(yīng)注意的事項(xiàng)，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)鍛造操作機(jī)用減速機(jī)提供一些參考。

［1］ 陳小俊，100噸DDS操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析及其裝配［J］．安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(11):18－20．

［2］ 趙緒平．基于DCG200鍛造操作機(jī)的研制 ［J］．科技成果縱橫，2010(1):57－59．

［3］ 梁音．鍛造操作機(jī)鉗桿操縱過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特性分析 ［J］．重型機(jī)械，2010(5):38－42．

［4］ 高惠敏．鍛造操作機(jī)緩沖裝置的配置 ［J］．重型機(jī)械，2010(82):249－251．

［5］ 劉海柱．基于ADAMS鍛造操作機(jī)鉗桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) ［J］．鍛壓技術(shù)，2008(33):106－108．

［6］ 陳宏偉．操作機(jī)鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)失效分析 ［J］．重型機(jī)械，2012(2)．

［7］ 余發(fā)國(guó)，高峰，郭為忠，等．鍛造操作機(jī)的回顧與展望［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2007(增刊):12－15．