M1380A頭架結(jié)構(gòu)改造

■ 四川中車玉柴發(fā)動(dòng)機(jī)股份有限公司 （資陽(yáng) 641300） 羅麗梅

1. M1380A曲軸外圓磨床特點(diǎn)及本次改造的主要任務(wù)

M1380A曲軸外圓磨床出廠于20世紀(jì)70年代初，是曲軸的主要加工機(jī)床之一，主要承擔(dān)著曲軸外圓精磨的加工任務(wù)。但是由于使用年限較久，磨床頭架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)落后，因而導(dǎo)致磨床運(yùn)行不平穩(wěn)，精度問(wèn)題比較明顯。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)M1380A磨床加工出來(lái)的曲軸外圓出現(xiàn)直波紋的現(xiàn)象。影響曲軸出現(xiàn)直波紋的因素有很多，比如砂輪的選擇不合理、砂輪主軸軸承間隙不當(dāng)?shù)?，但在維修過(guò)程中逐步排除其他可能之后，分析故障產(chǎn)生的原因發(fā)現(xiàn)，這不是單純的因?yàn)榱慵Фa(chǎn)生的故障，而是由于磨床精度失準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成的，因此，這次的主要任務(wù)就是針對(duì)M1380A曲軸外圓磨床頭架不合理的地方進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)，希望能消除加工出來(lái)的曲軸出現(xiàn)直波紋的現(xiàn)象。

對(duì)于磨床來(lái)說(shuō)一般出現(xiàn)的是精度問(wèn)題，精度問(wèn)題是設(shè)備維修上最難找到故障根源和最難排除的問(wèn)題，因?yàn)閷?dǎo)致精度問(wèn)題的因素有很多而且很難斷定產(chǎn)生地，故唯一的辦法就是從動(dòng)力輸入端出發(fā)到動(dòng)力輸出端，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、排除，通過(guò)反復(fù)不斷的分析、試驗(yàn)和排除來(lái)解決精度問(wèn)題。

2. M1380A床頭箱傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析

M1380A磨床改進(jìn)前的頭架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可以看出，M1380A磨床的傳動(dòng)原理：由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)皮帶輪8傳至皮帶輪5，皮帶輪采用的是普通V帶傳動(dòng)，此傳動(dòng)特點(diǎn)是當(dāng)量摩擦系數(shù)大，工作面與輪槽粘附好，允許包角小、傳動(dòng)比大和預(yù)緊力小。從這臺(tái)磨床性能和使用要求分析，普通V帶傳動(dòng)是比較合理的。皮帶輪5帶動(dòng)軸4轉(zhuǎn)動(dòng)，軸4是由兩套單列圓錐滾子軸承支撐的，圓錐滾子軸承的特點(diǎn)是可以同時(shí)承受徑向載荷及軸向載荷，其內(nèi)外輪可以分離，組裝容易，間隙容易調(diào)整，亦可施加預(yù)壓，在這臺(tái)磨床中，由于各齒輪都是斜齒輪，斜齒輪在傳動(dòng)過(guò)程中要受軸向力的作用，故整個(gè)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)都使用圓錐滾子軸承，這樣就能保證各齒輪同時(shí)承受徑向和軸向載荷。然后，動(dòng)力經(jīng)由齒輪2傳至齒輪7，再經(jīng)由軸13和齒輪14傳至齒輪10，最后齒輪10再帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)，在這一個(gè)過(guò)程中軸9是不產(chǎn)生任何動(dòng)作的。

圖1 頭架改造前1、3、6、11、12.圓錐滾子軸承 2、7、10、14.齒輪 4、9、13.軸 5、8.皮帶輪

3. M1380A磨床問(wèn)題分析過(guò)程及改進(jìn)措施

頭架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能引起出現(xiàn)直波紋現(xiàn)象的原因無(wú)非就是傳動(dòng)過(guò)程中傳動(dòng)不平穩(wěn)和精度問(wèn)題。因?yàn)橛绊憴C(jī)床精度的因素有很多，比如軸承精度、間隙問(wèn)題、齒輪嚙合不完全、軸的精度或軸承發(fā)生點(diǎn)蝕，使軸承與軸之間接觸為點(diǎn)接觸，使運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)等等，很多小小的細(xì)節(jié)都能導(dǎo)致傳動(dòng)不平穩(wěn)，因此需要耐心分析、查找和排除。

首先，從動(dòng)力輸入端來(lái)分析。動(dòng)力輸入端是電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力通過(guò)兩個(gè)皮帶輪將動(dòng)力輸入到軸4，這里采用的是普通V帶傳動(dòng)。首先全部重新更換V帶來(lái)檢查傳動(dòng)平穩(wěn)性，發(fā)現(xiàn)直波紋現(xiàn)象無(wú)明顯改觀，因此排除V帶本身問(wèn)題。再來(lái)分析帶輪與軸之間的配合性，主要包括孔與軸之間的配合以及鍵與鍵槽之間的配合，從裝配圖中可以看出，頭架結(jié)構(gòu)中的齒輪和軸聯(lián)接、帶輪與軸聯(lián)接都是采用普通平鍵聯(lián)接，這種聯(lián)接方式的特點(diǎn)是鍵在鍵槽中固定良好，適用于高精度、高速或承受變載、沖擊的場(chǎng)合，所以這種聯(lián)接比較穩(wěn)固。對(duì)于軸與孔的配合，需要測(cè)量實(shí)際配合的公差是否在允許的范圍之內(nèi)，檢查軸與孔是否有磨損，經(jīng)檢查軸與孔的配合都還良好，也在公差范圍之內(nèi)，所以排除此因素。其次，檢查皮帶輪的徑向跳動(dòng)、振擺以及兩皮帶輪之間的直線度等問(wèn)題，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)無(wú)明顯徑向跳動(dòng)現(xiàn)象、無(wú)振擺以及兩皮帶輪直線度符合要求，故排除以上影響因素。最后，檢查皮帶的松緊程度是否符合要求，經(jīng)檢查和調(diào)整，將皮帶調(diào)整到了合適的程度。經(jīng)過(guò)以上所有檢查步驟后，再來(lái)試磨，發(fā)現(xiàn)直波紋現(xiàn)象無(wú)明顯改善，因此排除皮帶傳動(dòng)影響因素。

然后，考慮軸4自身的精度、齒輪2與軸4之間配合情況。經(jīng)檢查得知軸4精度達(dá)到了使用要求，沒(méi)有被磨損，軸表面粗糙度基本和原來(lái)一致，而且檢測(cè)其跳動(dòng)也沒(méi)發(fā)生彎曲和扭曲，故排除。軸4與齒輪2之間同樣采用的是普通平鍵聯(lián)接，檢查其配合性也符合要求，試車檢測(cè)排除此因素。

用同樣的方法可以檢測(cè)軸13的精度，齒輪7、14、10與軸13、軸9之間配合情況，同樣發(fā)現(xiàn)都符合要求，故也排除這些可能。

接下來(lái)，需要檢查各軸承的精度、軸承之間的間隙以及潤(rùn)滑情況。軸承自身精度是制造商的問(wèn)題，我們只需要根據(jù)要求選擇合適的精度即可，這里的軸承一般都是經(jīng)過(guò)合理的選擇才使用的，故不需再作選擇，只需在合適的地方選用軸承精度等級(jí)高一級(jí)的軸承即可。對(duì)于軸承間隙檢查，從結(jié)構(gòu)圖中可以看出，整個(gè)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中選用的都是圓錐滾子軸承，因?yàn)閭鲃?dòng)齒輪采用的都是斜齒輪，斜齒輪要承受軸向載荷的作用，因此選用圓錐滾子軸承可以同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷，選用合理。對(duì)于圓錐滾子軸承間隙的調(diào)整，從其特點(diǎn)可以知道：圓錐滾子軸承的外圈可以分離，安裝時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)外圈來(lái)調(diào)整軸向間隙和徑向間隙，根據(jù)結(jié)構(gòu)圖分析可知：圓錐滾子軸承1、3、6和12的間隙調(diào)整都是通過(guò)調(diào)整軸承外的端蓋來(lái)調(diào)整軸承外圈，從而來(lái)調(diào)整軸承間隙的，但是兩套圓錐滾子軸承11無(wú)法進(jìn)行間隙調(diào)整，在檢查過(guò)程中就發(fā)現(xiàn)由于這兩套軸承發(fā)生了磨損，導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，所以需要更換兩套圓錐滾子軸承，但是這樣并不能從根本上解決軸承間隙問(wèn)題，為了更好地調(diào)整軸向間隙，考慮在兩套軸承11之間添加墊圈1來(lái)調(diào)整軸承間隙（見(jiàn)圖2），這樣就要求兩套軸承變換為背對(duì)背裝配，以便很好地調(diào)整兩套軸承之間的間隙，墊圈1的厚度是通過(guò)實(shí)際測(cè)量來(lái)確定的。

此外，從原結(jié)構(gòu)圖中可以看出，齒輪10是單靠轉(zhuǎn)盤(pán)上的螺釘來(lái)固定的，在受軸向力的作用下，齒輪10會(huì)產(chǎn)生軸向的竄動(dòng)，因此我們需要改進(jìn)此結(jié)構(gòu)。從圖2中可以看出，在這里加了一個(gè)帶有外螺紋的端蓋4來(lái)固定軸9的軸向移動(dòng)和帶有內(nèi)螺紋的端蓋3來(lái)固定軸承2的內(nèi)圈，然后用銷子5將端蓋4與箱體聯(lián)接起來(lái)，這樣既能方便齒輪的拆裝，又能保證齒輪不會(huì)軸向竄動(dòng)。

對(duì)于軸承的潤(rùn)滑，機(jī)床廠家都有規(guī)定使用的潤(rùn)滑產(chǎn)品，我們需要保證潤(rùn)滑良好和潤(rùn)滑的清潔度。

最后，著重考慮齒輪傳動(dòng)本身的問(wèn)題，即各齒輪之間的嚙合情況。

圖2 頭架改造后1.墊圈 2.圓錐滾子軸承 3.帶內(nèi)螺紋的端蓋 4.帶外螺紋的端蓋 5.銷子

檢測(cè)齒側(cè)間隙。齒側(cè)間隙如果不當(dāng)?shù)脑?，?huì)嚴(yán)重影響接觸精度，很容易造成輪齒斷裂，因此，對(duì)齒側(cè)間隙的檢測(cè)是相當(dāng)必要的。檢測(cè)齒側(cè)間隙的方法有很多，比如：通過(guò)理論公式計(jì)算出公法線長(zhǎng)度和跨齒數(shù)，再來(lái)跟實(shí)際測(cè)量出的公法線長(zhǎng)度進(jìn)行比較，或者用壓鉛的方法等。這里采用的是最基本最簡(jiǎn)單的方法：固定一個(gè)齒輪然后轉(zhuǎn)動(dòng)另一個(gè)齒輪，用百分表測(cè)出轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪的擺動(dòng)量，即為兩齒輪的嚙合側(cè)隙。經(jīng)檢測(cè)，測(cè)量出圖1中的齒輪10、14的側(cè)隙超過(guò)了使用極限，磨損較嚴(yán)重，所以應(yīng)考慮更換措施，但是由于齒輪10制造成本較高而且制造困難，同時(shí)，因?yàn)樽兾积X輪能修復(fù)已磨損的舊齒輪，改善小齒輪的強(qiáng)度和傳動(dòng)嚙合特性，能提高齒輪機(jī)構(gòu)的承載能力，同時(shí)還可以避免根切現(xiàn)象，所以這里我們考慮將齒輪10、14成套修改為變位齒輪。

變位齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程如下所述。

由機(jī)床說(shuō)明書(shū)中齒輪10和齒輪14的零件圖得知，齒輪10的參數(shù)為：z1＝22、mn＝6、αn＝20°、han*＝1、cn*＝0.25、β＝18°26′；齒輪14的參數(shù)為：z2＝66、mn＝6、αn＝20°、han*＝1、cn*＝0.25、β＝18°26′。

選擇傳動(dòng)類型：由避免根切的最少齒數(shù)計(jì)算公式zmin＝17（1－x），得zmin＝17，所以z1＋z2＞2zmin，故可供選用的變位類型有兩種，即高度變位傳動(dòng)和角度變位傳動(dòng)中的負(fù)傳動(dòng)。又因?yàn)辇X輪5、6的中心距是不變的，所以考慮采用高度變位傳動(dòng)類型。由高度變位傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)可知：小齒輪取正變位，提高了小齒輪齒根強(qiáng)度，減小了小齒輪齒面磨損，所以在這種傳動(dòng)中，小齒輪采用的是正變位，大齒輪采用的是負(fù)變位，所以可知xn1＞0，xn2＜0。

接下來(lái)選擇兩個(gè)齒輪的變位系數(shù)：由高度變位傳動(dòng)的特點(diǎn)可知，xn1＋xn2＝0，xn1＝－xn2≠0，所以xn∑＝0，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)分配變位系數(shù)得到：xn1＝0.3，故xn2＝－0.3。結(jié)合兩齒輪原零件圖已知參數(shù)和選擇的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算兩齒輪的幾何尺寸，結(jié)果如附表所示。

齒輪14、齒輪10幾何尺寸計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)以上參數(shù)繪制出變位齒輪的零件圖，如圖3、圖4所示。

將齒輪改變?yōu)樽兾积X輪之后，應(yīng)該再來(lái)檢測(cè)變位齒輪的嚙合情況，采用著色法來(lái)檢測(cè)齒輪嚙合的接觸斑點(diǎn)。首先用紅丹來(lái)涂抹齒輪14，然后在輕微的制動(dòng)下，使兩齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)3～4圈，再來(lái)檢測(cè)齒輪嚙合的接觸斑點(diǎn)情況，根據(jù)一般要求，這里的七級(jí)精度齒輪的接觸斑點(diǎn)在齒長(zhǎng)方向的百分率應(yīng)該為60%，沿齒高方向的百分率應(yīng)該為45%，經(jīng)過(guò)反復(fù)檢測(cè)和研磨，最終使兩齒輪的接觸斑點(diǎn)達(dá)到此要求。

經(jīng)過(guò)此次改造，曲軸出現(xiàn)直波紋的現(xiàn)象明顯得到了改善，大大地提高了曲軸的加工精度。

4. 結(jié)語(yǔ)

機(jī)床改造是設(shè)備維護(hù)工作的重要組成部分，要做好設(shè)備維護(hù)工作，就要掌握好機(jī)床改造技術(shù)，要靠平時(shí)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，需要我們多動(dòng)腦、多動(dòng)手去掌握好設(shè)備方面的每個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題。

圖3 變位齒輪14

圖4 變位齒輪10

[1] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（中冊(cè)）[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1982．

[2] 濮良貴，紀(jì)名剛．機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．北京：高等教育出版社，2003．

[3] 東北工學(xué)院《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫(xiě)組．機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)（上冊(cè)）[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1983．

[4] 申永勝．機(jī)械原理教程[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2000．