船用鼓形齒式聯(lián)軸器機(jī)械加工工藝

任鵬宇

（大慶隆鋒機(jī)械設(shè)備制造有限公司，黑龍江 大慶 163000）

0 引言

鼓形齒式聯(lián)軸器（Drum gear coupling）作為一類能夠?qū)S向偏差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)穆?lián)軸器，具備結(jié)構(gòu)緊湊、承壓能力強(qiáng)等性能優(yōu)點(diǎn)，且擁有較小的回轉(zhuǎn)半徑。此類實(shí)用性較強(qiáng)的機(jī)械裝置采用多齒套匹配形式，基于大半徑齒套的作用下，小半徑齒套的傳動(dòng)速度得到極大地提高，該齒輪組匹配的傳動(dòng)形式，使設(shè)備內(nèi)部的受力抗壓能力得到巨大的提高，這可以體現(xiàn)出現(xiàn)代化鼓形齒式聯(lián)軸器的意義重大，在當(dāng)今的船舶工業(yè)領(lǐng)域享有極高的聲譽(yù)名望[1]。最新的技術(shù)是利用求出機(jī)械設(shè)備的傾角來對(duì)聯(lián)軸器的嚙合程度進(jìn)行有效提高，基于上述操作改進(jìn)后的聯(lián)軸器，再通過邊緣接觸理論來改進(jìn)機(jī)械邊緣的曲率，使其變小，最終實(shí)現(xiàn)了船用鼓形齒式聯(lián)軸器的理論設(shè)計(jì)過程。然而，此類加工技術(shù)沒有具體的拋光步驟，也無法按照齒面曲率干涉理論來進(jìn)一步計(jì)算聯(lián)軸器的間隙傾角。為處理上述操作中存在的問題，首先經(jīng)過探究得到了最優(yōu)切削參量，后圍繞齒面最小間隙分布進(jìn)行分析，利用新興的高效化加工技術(shù)探討并研究了船用鼓形齒式聯(lián)軸器機(jī)械設(shè)備，且在對(duì)比實(shí)驗(yàn)的作用下，充分體現(xiàn)出了該新興加工技術(shù)的重要價(jià)值。

1 船用鼓形齒式聯(lián)軸器機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

對(duì)聯(lián)軸器的內(nèi)部構(gòu)造特征進(jìn)行分析，具有重要的實(shí)際意義，是新興機(jī)械加工技術(shù)的前提，基于齒面最小間隙分布與軸間最大傾角的理論支撐，詳細(xì)的分析過程通過下述內(nèi)容表述。

1.1 齒面最小間隙分布情況研究

通常情況下，在不存在軸間傾角時(shí)，聯(lián)軸器的嚙合程度較高，且裝置中的載荷分布表現(xiàn)得較為均勻。基于上述情況，齒式聯(lián)軸器齒面間隙處的邊緣位置極易造成邊緣接觸問題，在此刻可以最大化地維持機(jī)械裝置內(nèi)部原有的傳動(dòng)特性。在裝置的嚙合程度較大的情況下，聯(lián)軸器的內(nèi)齒輪會(huì)在之前的位置移動(dòng)到齒端的中心處，外齒輪會(huì)在之前的位置移動(dòng)到齒面邊緣處，在這種情況下由內(nèi)外齒輪移動(dòng)形成的齒面角便是齒面最小間隙。基于機(jī)械內(nèi)部嚙合程度的連續(xù)性變化，這個(gè)最小間隙也保持在0°～180°范圍內(nèi)波動(dòng)。求出齒面最小間隙的詳細(xì)方式通過下式給出：

在上式中：聯(lián)軸器的齒面最小間隙用λ來表示；齒面夾角用ω來表示；邊緣接觸參量用pθ來表示；機(jī)械傳動(dòng)系數(shù)用y來表示；上限偏移指數(shù)用r來表示，下限偏移指數(shù)用w來表示。

1.2 最大軸間傾角確定

在聯(lián)軸器齒面最小間隙發(fā)射連續(xù)性變化的同時(shí)，基于四類鼓形曲線的作用，最大軸間傾斜角度以圓弧形的樣式發(fā)生變化。其中四種鼓形曲線依次稱為浮動(dòng)曲線t、半實(shí)軸曲線k、中段弧曲線τ以及側(cè)段弧曲線ε，而且它們各自形成的變化僅與相關(guān)參量有關(guān)。此外，各曲線間的變化不受交叉干涉效應(yīng)的影響。就聯(lián)軸器裝置的穩(wěn)定性而言，最大軸間傾角能夠直接關(guān)系到齒式聯(lián)軸器設(shè)備所具有的精度，當(dāng)上述四類曲線都表現(xiàn)為上升趨勢(shì)時(shí)，裝置的最大軸間傾角也會(huì)同步增大，在這種情況下，聯(lián)軸器所具有的精度會(huì)相應(yīng)減小，從而致使機(jī)械裝置內(nèi)部的穩(wěn)定性表現(xiàn)為下滑狀態(tài)[2]。為避免出現(xiàn)該問題，可對(duì)四類曲線的參量聯(lián)立計(jì)算，最終得到聯(lián)軸器所具有的最大軸間傾角，并逐漸減小傾角的大小，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工精度得以有效提高的目標(biāo)。得出最大軸間傾角的詳細(xì)過程通過下式給出：

在上式中：最大軸間傾角用χ來表示；分別依次用u，t，i，p來表示四種曲線所中對(duì)應(yīng)的決定性參量。

2 基于構(gòu)造特點(diǎn)的加工工藝研究

基于對(duì)聯(lián)軸器的內(nèi)部構(gòu)造特征的探討分析，再加上最優(yōu)切削參量的求解以及機(jī)械粗磨工藝流程的完善，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)新興機(jī)械加工技術(shù)的全方位研究。

2.1 最優(yōu)切削參量確定

在計(jì)算求解出聯(lián)軸器的最小間隙及最大軸間傾角的條件下，已基本確定機(jī)械內(nèi)部的具體構(gòu)造。聯(lián)軸器的最優(yōu)切削參數(shù)與其他參量不同，體現(xiàn)在它是與內(nèi)部屬性具有直接關(guān)聯(lián)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在另外的參量不發(fā)生改變的前提下，其參量進(jìn)與材料本身相關(guān)。依照上述內(nèi)容，最大軸間傾角作為一種受多種指標(biāo)共同影響的內(nèi)部屬性，其夾角變化大小和最小間隙的分布有著重要關(guān)聯(lián)[3]。在確保鼓形齒式聯(lián)軸器機(jī)械在應(yīng)用過程的穩(wěn)定性的條件下，合理控制裝置中的間隙角大小，可以設(shè)置其為表示裝置內(nèi)部的屬性，聯(lián)立式（2），可以求得聯(lián)軸器機(jī)械的最優(yōu)切削參量大小，并將其通過下式給出：

上式中：聯(lián)軸器機(jī)械裝置的最優(yōu)切削參量用f來表述；分布決策參數(shù)用μ來描述；基礎(chǔ)切削比率用c來描述；平均切削頻率用v來描述。

2.2 機(jī)械齒聯(lián)軸加工曲面確定

齒式聯(lián)軸器機(jī)械設(shè)備的加工曲面擁有眾多屬性，例如切削處理等。在經(jīng)過求解得出最優(yōu)切削參量的條件下，內(nèi)齒輪及外齒輪的嚙合程度、齒面夾角等各項(xiàng)參量均以相同幅度進(jìn)行變化，在該范圍條件下，齒端中心和外齒面邊緣間的距離不發(fā)生改變，依照聯(lián)軸器內(nèi)部的構(gòu)造屬性的變化能夠得知，機(jī)械加工曲面原本就是傾斜的，但伴隨著強(qiáng)烈的運(yùn)作壓力，設(shè)備本身的傾角與運(yùn)行時(shí)間呈現(xiàn)反比例關(guān)系，即時(shí)間越長(zhǎng)，傾角越小，直到減小為0，一般情況下，這可以解釋基礎(chǔ)傾角為何能夠被忽略。用c表示曲面表層的粗糙系數(shù)，航行壓力的大小用F來描述，通過上述兩個(gè)系數(shù)能夠把機(jī)械齒聯(lián)軸加工曲面用下式描述：

上式中：H表示齒式聯(lián)軸器加工曲面；齒面夾角用a來表示；內(nèi)齒輪嚙合程度用M來表示；外齒輪嚙合程度用N來表示。

2.3 粗糙機(jī)械磨平流程的完善

聯(lián)軸器的機(jī)械粗磨工藝流程的第一步為切削材料的確定，并依照實(shí)際的確定結(jié)果來選取合適的打磨工具。在聯(lián)軸器加工曲面傾角滿足條件的前提下，聯(lián)軸器表面的粗糙離子與航行壓力的大小沒有任何聯(lián)系，此外，齒面夾角、內(nèi)齒輪及外齒輪的嚙合程度等指標(biāo)也產(chǎn)生不了明顯改變，為切削磨平操作的開展創(chuàng)造了有利條件[4]。聯(lián)軸器機(jī)械設(shè)備詳細(xì)的磨平流程圖如圖1 所示。

圖1 船用鼓形齒聯(lián)軸器粗糙機(jī)械磨平流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為對(duì)聯(lián)軸器機(jī)械加工技術(shù)所具有的重要價(jià)值進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了下面的兩組實(shí)驗(yàn)。分別利用改進(jìn)前后的加工技術(shù)來對(duì)同一型號(hào)的聯(lián)軸器設(shè)備進(jìn)行處理，使兩組實(shí)驗(yàn)的時(shí)間一致，記錄設(shè)備表層粗糙度與間隙傾角這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。

3.1 機(jī)械表面粗糙度對(duì)比

將實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為10 min，分別記錄在此時(shí)間內(nèi)，利用完善前后的工藝處理時(shí)，聯(lián)軸器機(jī)械設(shè)備表層粗糙度的變化趨勢(shì)，結(jié)果在表1 中給出。

表1 機(jī)械表面粗糙度對(duì)比表

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可得，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，采用改良前的加工技術(shù)時(shí)，聯(lián)軸器機(jī)械設(shè)備表層粗糙度表現(xiàn)出先小幅度增長(zhǎng)、后大幅度增長(zhǎng)的趨勢(shì)，時(shí)間剛好結(jié)束時(shí)，聯(lián)軸器機(jī)械設(shè)備表層粗糙度最大，其具體的數(shù)值為77.38%；采用改良后的加工技術(shù)時(shí)，聯(lián)軸器機(jī)械表層粗糙度表現(xiàn)出先增加、后穩(wěn)定的趨勢(shì)，時(shí)間在6 min時(shí)，聯(lián)軸器機(jī)械表層的粗糙度最大，表現(xiàn)出為34.63%，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于改良前的加工技術(shù)。

3.2 機(jī)械間隙傾角對(duì)比

將實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為10 min，分別記錄在此時(shí)間內(nèi)，利用完善前后的工藝處理時(shí)，聯(lián)軸器機(jī)械設(shè)備間隙傾角的變化趨勢(shì)，結(jié)果在表2 中給出。

表2 機(jī)械間隙傾角對(duì)比表

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可得，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，采用改良前加工技術(shù)時(shí)，聯(lián)軸器機(jī)械設(shè)備的間隙傾角表現(xiàn)出先減小、后增大的趨勢(shì)，時(shí)間剛好結(jié)束時(shí)，聯(lián)軸器機(jī)械設(shè)備的間隙傾角最大，表現(xiàn)出為104.3°；采用改良后加工技術(shù)時(shí)，聯(lián)軸器機(jī)械間隙傾角表現(xiàn)為逐步減小的趨勢(shì)，時(shí)間為2 min 處，聯(lián)軸器機(jī)械設(shè)備的間隙傾角最大，表現(xiàn)出為67.8°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于改良前加工技術(shù)。

4 結(jié)語

基于確定最優(yōu)切削參量及機(jī)械粗磨工藝完善等手段，改良并完善了傳統(tǒng)的船用鼓形齒式聯(lián)軸器設(shè)備機(jī)械加工技術(shù)，并在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證下，得出新興工藝技術(shù)的切實(shí)可行性。