回轉(zhuǎn)窯筒體墊板和齒輪外徑測(cè)量控制方法的探討

陳和根，仲躋松，王冬生，儲(chǔ)小虎，賁道春

1 引言

π尺測(cè)量精度較高，測(cè)量范圍較大，便于測(cè)量大外徑部件的尺寸。π尺分度值分為0.01mm、0.02mm、0.05mm三個(gè)，最大允許誤差按分度值和直徑 范 圍 分 為±0.05mm、±0.06mm、±0.08mm、±0.10mm、±0.15mm、±0.20mm六種。π尺測(cè)量直徑的范圍達(dá)到12 000mm以上。

在超大直徑圓柱面的測(cè)量中，游標(biāo)卡尺和外徑千分尺受測(cè)量范圍和條件的限制，測(cè)量時(shí)有很大的局限性，而π尺因其測(cè)量范圍較大，測(cè)量時(shí)具有較大優(yōu)勢(shì)。在回轉(zhuǎn)窯、烘干機(jī)、管磨機(jī)的制造過(guò)程中，輪帶外徑、筒體外徑、大齒圈外徑、筒體齒圈法蘭外徑等超大外徑部件的測(cè)量均離不開(kāi)π尺。

π尺能夠有效測(cè)量完整的圓柱面外徑，測(cè)量值是以周長(zhǎng)為依據(jù)的直徑示值，其測(cè)量準(zhǔn)確性與被測(cè)圓柱面圓度無(wú)關(guān)。但π尺無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量不完整的圓柱面外徑，如回轉(zhuǎn)窯筒體墊板外徑、粗開(kāi)齒或成型齒輪的齒頂圓圓柱面外徑等。

如何通過(guò)π尺準(zhǔn)確測(cè)量如墊板、齒輪等不完整的圓柱面外徑，或者如何獲得合理的“測(cè)量誤差補(bǔ)償值”，關(guān)系到回轉(zhuǎn)窯、烘干機(jī)、邊緣傳動(dòng)管磨機(jī)關(guān)鍵零部件的制造質(zhì)量，是值得研究的課題。

2 墊板等部件外徑測(cè)量的重要性

2.1 墊板外徑

輪帶與墊板的間隙數(shù)值是根據(jù)熱膨脹進(jìn)行確定的，間隙過(guò)小將危及窯襯和筒體的安全，間隙過(guò)大將影響輪帶和墊板的使用壽命。GB/T 32994-2016《水泥工業(yè)用回轉(zhuǎn)窯》規(guī)定：輪帶內(nèi)徑與筒體墊板外徑應(yīng)配合制作，保證設(shè)計(jì)的間隙要求。

回轉(zhuǎn)窯墊板外徑尺寸的測(cè)量和控制直接影響到輪帶與墊板之間的間隙，進(jìn)而影響窯襯和筒體的安全，影響輪帶和墊板的使用壽命。若輪帶與墊板之間的設(shè)計(jì)間隙為8.0～10.0mm，測(cè)量控制誤差為1.5mm，實(shí)際間隙將可能為6.5～8.5mm，實(shí)際間隙小于設(shè)計(jì)間隙將對(duì)筒體和窯襯產(chǎn)生巨大的安全隱患。

2.2 齒輪齒頂圓直徑

一般大齒圈和小齒輪的齒頂圓粗開(kāi)齒前，齒頂圓留有加工余量，在粗開(kāi)齒或滾齒后，內(nèi)部應(yīng)力釋放，再進(jìn)行精加工、測(cè)量和控制。為了提高小齒輪齒面熱處理的淬透深度，一般小齒輪粗開(kāi)齒和熱處理前齒頂圓留有加工余量，同樣在粗開(kāi)齒或滾齒后進(jìn)行精加工、測(cè)量和控制。GB/T 32994-2016《水泥工業(yè)用回轉(zhuǎn)窯》規(guī)定了齒頂間隙“0.25m+（2.0～3.0）mm”；GB/T 27976-2011《水泥工業(yè)管磨機(jī)裝備》規(guī)定了齒輪副側(cè)間隙。

齒輪齒頂圓直徑的控制直接影響回轉(zhuǎn)窯齒輪嚙合參數(shù)的調(diào)整，直徑過(guò)大將導(dǎo)致側(cè)隙過(guò)大，直徑過(guò)小將導(dǎo)致側(cè)隙過(guò)??；當(dāng)齒輪副側(cè)間隙符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，大齒圈齒頂圓直徑過(guò)大將導(dǎo)致根切，產(chǎn)生振動(dòng)和不正常磨損。假如齒頂圓直徑測(cè)量誤差為1.5mm，“0.25m+（2.0～3.0）mm”的頂隙效果將變成“0.25m+（2.75～3.75）mm”的頂隙效果，對(duì)應(yīng)的側(cè)隙將增大0.51mm，導(dǎo)致齒頂隙不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3 測(cè)量誤差分析

3.1 產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因

回轉(zhuǎn)窯筒體墊板外徑、粗開(kāi)齒或成型齒輪齒頂圓均為不連續(xù)或不完整的圓柱面。GB/T 35095-2018《π尺》規(guī)定了π尺的拉力并規(guī)定了拉力偏差范圍。采用π尺測(cè)量直徑時(shí)，由于圓柱面間斷或不連續(xù)，尺帶無(wú)法貼在假想的理想圓柱面上，其經(jīng)過(guò)間斷或不連續(xù)區(qū)域的尺帶處于拉直狀態(tài)，因而測(cè)量示值小于實(shí)際直徑值。

3.2 墊板外徑測(cè)量誤差分析

以某規(guī)格回轉(zhuǎn)窯墊板為例進(jìn)行墊板外徑測(cè)量誤差分析，墊板設(shè)計(jì)直徑為?52600-1.0，墊板寬度250mm，墊板塊數(shù)30塊。

通過(guò)CAD繪圖軟件測(cè)算，各弧和各弦組成的封閉曲線周長(zhǎng)為16 516.72～16 519.86mm，可推算出π尺示值范圍為?5 257.44mm～?5 258.43mm。

若按照π尺示值符合?52600-1.0作為驗(yàn)收合格的依據(jù)，則存在1.57mm的直徑測(cè)量誤差，即輪帶與墊板間隙減小1.57mm，將帶來(lái)巨大的安全隱患。

3.3 大齒圈齒頂圓直徑測(cè)量誤差分析

以某規(guī)格回轉(zhuǎn)窯為例進(jìn)行大齒圈齒頂圓直徑測(cè)量誤差分析，齒頂圓直徑為?8270h8(0-0.94)，齒數(shù)216，模數(shù)28，壓力角20°，變位系數(shù)0。

通過(guò)CAD繪圖軟件測(cè)算，各弧和各弦組成的封閉曲線周長(zhǎng)為27 390.17～27 394.30mm，可推算出π尺示值范圍為?8 718.56mm～?8 719.88mm。

若按照π尺示值符合?8270h8(0-0.94)作為驗(yàn)收合格依據(jù)，則存在0.12mm的直徑測(cè)量誤差，即頂隙效果的影響量?jī)H為0.12mm，側(cè)隙效果的影響量?jī)H為0.08mm。

3.4 小齒輪齒頂圓直徑測(cè)量誤差分析

以某規(guī)格回轉(zhuǎn)窯為例進(jìn)行小齒輪齒頂圓直徑測(cè)量誤差分析，齒頂圓直徑為?1080h8(0-0.165)，齒數(shù)25，模數(shù)40，壓力角20°，變位系數(shù)0。

通過(guò)CAD繪圖軟件測(cè)算，各弧和各弦組成的封閉曲線周長(zhǎng)為3 388.05～3 388.56mm，可推算出π尺示值范圍為?1 078.45mm～?1 078.61mm。

若將π尺測(cè)量示值符合?1080h8(0-0.165)直接作為驗(yàn)收依據(jù)，則存在1.39mm的直徑測(cè)量誤差，即頂隙效果的影響量為0.70mm，側(cè)隙效果的影響量為0.48mm。

3.5 測(cè)量誤差造成的危害

上述舉例表明，π尺用于直接測(cè)量不連續(xù)的圓柱面直徑，其示值讀數(shù)與實(shí)際尺寸存在一定誤差。

測(cè)量誤差的大小與尺帶在間斷圓弧面之間的距離和曲率變化程度有關(guān)。墊板之間距離大，曲率變化大，因而直徑測(cè)量誤差較大；小齒輪齒頂圓曲率變化大，因而直徑測(cè)量誤差較大；齒數(shù)較多的大齒圈，齒頂圓間斷圓弧面之間的距離小，曲率變化小，因而測(cè)量誤差較小。

對(duì)于模數(shù)較大、齒數(shù)較少的大齒圈頂圓直徑，確定忽略直接測(cè)量產(chǎn)生的誤差需慎重。建議先進(jìn)行誤差分析，在誤差不影響頂隙和側(cè)隙的安裝調(diào)整的前提條件下，方可忽略直接測(cè)量產(chǎn)生的誤差。

4 測(cè)量控制方法

為了準(zhǔn)確測(cè)量墊板外徑或齒輪齒頂圓直徑，應(yīng)先推算各弧和各弦組成的封閉曲線周長(zhǎng)C對(duì)應(yīng)的π尺直徑示值（C/π）與設(shè)計(jì)直徑基本尺寸d設(shè)的差，該差值（d設(shè)-C/π）可視為“測(cè)量誤差補(bǔ)償值”。

弧長(zhǎng)理論尺寸E和弦長(zhǎng)理論尺寸F組成的封閉曲線總長(zhǎng)C（可借助CAD繪圖軟件測(cè)算封閉曲線總長(zhǎng)C）為測(cè)量控制的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。墊板外徑的測(cè)量和控制方法見(jiàn)圖1。

圖1 墊板外徑測(cè)量示意

封閉曲線總長(zhǎng)C為：

式中：

C——弧長(zhǎng)理論尺寸E、弦長(zhǎng)理論尺寸F組成的封閉曲線總長(zhǎng)，mm

n——墊板塊數(shù)，塊

E——弧長(zhǎng)理論尺寸，mm

F——弦長(zhǎng)理論尺寸，mm

封閉曲線周長(zhǎng)C對(duì)應(yīng)的π尺直徑示值為C/π，則測(cè)量誤差補(bǔ)償值為（d設(shè)-C/π），即〔d設(shè)-n（E+F）/π〕。被測(cè)直徑d的測(cè)算關(guān)系式為：

式中：

d——被測(cè)直徑，mm

d示——π尺測(cè)量示值，mm

d設(shè)——設(shè)計(jì)直徑基本尺寸，mm

n——墊板塊數(shù)，塊

E——弧長(zhǎng)理論尺寸，mm

F——弦長(zhǎng)理論尺寸，mm

π——圓周率，取3.141 592 6

5 測(cè)量控制方法的驗(yàn)證

5.1 驗(yàn)證目的和驗(yàn)證注意事項(xiàng)

5.1.1 驗(yàn)證目的

π尺的尺帶由彈簧鋼、不銹鋼或其他類似性能的材料制造，硬度為450～620HV，因此尺帶具有一定的彈性。尺帶接觸間斷圓柱面弧和弦交界時(shí)會(huì)因彈性原因而被抬高?！皽y(cè)量誤差補(bǔ)償值”并未考慮尺帶因彈性而被抬高的因素，因此有必要對(duì)“測(cè)量誤差補(bǔ)償值”進(jìn)行驗(yàn)證。

5.1.2 驗(yàn)證注意事項(xiàng)

尺帶硬度差異和拉力差異導(dǎo)致抬高幅度存在差異，因此不同π尺測(cè)量的弧和弦總長(zhǎng)可能存在差異。為了消除π尺硬度差異和拉力差異對(duì)測(cè)量的影響，需針對(duì)不同的π尺進(jìn)行“測(cè)量誤差補(bǔ)償值”的驗(yàn)證和修正，規(guī)定拉力值并使用有讀數(shù)的拉力計(jì)。

圖2 測(cè)量控制方法驗(yàn)證示意

5.2 墊板外徑測(cè)量控制的驗(yàn)證方法

圖2為測(cè)量控制方法驗(yàn)證示意。如圖2所示，在墊板外徑機(jī)加工前，先在墊板長(zhǎng)度區(qū)域范圍內(nèi)筒體截面上的墊板之間補(bǔ)焊厚度40mm左右的弧形鋼板。墊板外徑與弧形鋼板按圖紙尺寸同時(shí)進(jìn)行機(jī)加工。

人為將該截面處的墊板形成完整的可采用π尺直接測(cè)量的機(jī)加工外圓柱面。采用π尺直接測(cè)量完整加工面直徑，讀取其示值（大數(shù)值），并測(cè)量無(wú)弧形鋼板截面處的直徑，讀取其示值（小數(shù)值）。其中“大數(shù)值-小數(shù)值”作為“測(cè)量誤差補(bǔ)償值”驗(yàn)證和修正的依據(jù)。

5.3 齒頂圓直徑測(cè)量控制的驗(yàn)證方法

采用π尺測(cè)量大齒圈或小齒輪齒頂圓粗加工的直徑（大數(shù)值），根據(jù)粗加工的直徑測(cè)算“測(cè)量誤差補(bǔ)償值”，在滾齒后、齒頂圓精加工前采用π尺測(cè)量齒頂圓直徑示值（小數(shù)值）。其中“大數(shù)值-小數(shù)值”作為“測(cè)量誤差補(bǔ)償值”的驗(yàn)證依據(jù)。

5.4 幾點(diǎn)建議

5.4.1 對(duì)于設(shè)計(jì)和工藝制定

為了確?；剞D(zhuǎn)窯筒體墊板外徑和齒輪齒頂圓直徑符合設(shè)計(jì)要求，建議設(shè)計(jì)人員和工藝人員在相關(guān)圖紙和工藝文件中直接注明采用π尺測(cè)量的“測(cè)量誤差補(bǔ)償值”，以便于指導(dǎo)實(shí)際操作。

5.4.2 對(duì)于制造和檢驗(yàn)

（1）在新規(guī)格帶墊板筒體制造時(shí)，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，判斷和修正“測(cè)量誤差補(bǔ)償值”，為設(shè)計(jì)和工藝制定提供驗(yàn)證依據(jù)，也為日后再生產(chǎn)或批量生產(chǎn)提供質(zhì)量保證。

（2）當(dāng)更換π尺進(jìn)行測(cè)量控制時(shí)，應(yīng)重新驗(yàn)證和修正“測(cè)量誤差補(bǔ)償值”。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）采用π尺直接測(cè)量墊板外徑和小齒輪齒頂圓直徑時(shí)，將產(chǎn)生較大誤差，測(cè)量示值均小于實(shí)際尺寸。

（2）采用π尺直接測(cè)量墊板外徑和齒輪頂圓直徑，需考慮測(cè)量誤差補(bǔ)償。

（3）根據(jù)相關(guān)理論尺寸可以推算“測(cè)量誤差補(bǔ)償值”，并應(yīng)進(jìn)行操作驗(yàn)證。