大直徑卷筒分體人字齒裝配方法

劉艷芳 李靜宇 張杰義 宋 偉

河南衛(wèi)華重型機(jī)械股份有限公司 新鄉(xiāng) 453400

0 引言

隨著起重機(jī)行業(yè)的不斷發(fā)展，非標(biāo)結(jié)構(gòu)件逐漸增多，對(duì)卷筒等主要結(jié)構(gòu)件的制造要求也逐漸提高。卷筒是橋門式起重機(jī)重要的構(gòu)件，承載了起重物體所有載荷和吊鉤、吊具及小車的自重，并傳遞給小車、主梁等結(jié)構(gòu)件，是起重機(jī)的核心關(guān)鍵部件之一[1]。由于卷筒工作時(shí)不僅要承載起重機(jī)上百噸的提升載荷，而且要承受較大的沖擊載荷[2]。因此，對(duì)卷筒的加工質(zhì)量及裝配質(zhì)量要求較高，裝配質(zhì)量的好壞影響著卷筒的使用壽命及正常運(yùn)行。

普通卷筒長度短、直徑小，裝配過程中主要是軸承座與卷筒進(jìn)行裝配，較普通卷筒復(fù)雜的是單齒輪、軸承座與卷筒進(jìn)行裝配，且齒輪為直齒齒輪，裝配完成后齒輪精度易調(diào)整，過程簡單易操作。本文所述卷筒是上小車起升絞車裝配中的關(guān)鍵部件，卷筒直徑及質(zhì)量較大，與卷筒進(jìn)行裝配的齒輪為分體的斜齒輪，且2個(gè)齒輪旋向不同，分別為左旋齒輪與右旋齒輪，卷筒裝配時(shí)不僅要考慮其自重，且要考慮裝配完成后分體人字齒的裝配精度調(diào)整及大齒輪與小齒輪工作時(shí)的嚙合情況，裝配要求復(fù)雜。由于現(xiàn)有的設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)卷筒與分體人字齒輪的裝配以及裝配后齒輪精度的調(diào)整，且傳統(tǒng)小直徑卷筒的加工及裝配方法不能在適用于現(xiàn)在大直徑、裝配要求復(fù)雜的卷筒，故必須設(shè)計(jì)工裝、進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)以完成大直徑卷筒齒圈的裝配及精度的調(diào)整。

1 大直徑卷筒結(jié)構(gòu)分析

本文所述卷筒大小齒輪裝配示意圖如圖1所示，卷筒質(zhì)量大（達(dá)32 t）、直徑大（近4 m）。受卷筒工作性質(zhì)的影響，該卷筒裝配不僅包括對(duì)軸承座進(jìn)行裝配，還需要對(duì)2個(gè)分體大齒圈進(jìn)行裝配，分別是左旋的外齒圈及右旋內(nèi)齒圈，裝配完成后要對(duì)2齒輪的同心度及齒形跳動(dòng)等進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖1 大小齒輪裝配示意圖

大齒輪與小齒輪裝配完成后齒輪一直處于嚙合狀態(tài)，卷筒工作時(shí)主要通過減速機(jī)帶動(dòng)齒輪軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)卷筒的升降功能。卷筒裝配前法蘭板已與卷筒軸組焊完成并焊接至卷筒上，由于卷筒自重及直徑的影響，導(dǎo)致卷筒裝配工作變得復(fù)雜，卷筒裝配順序流程圖如圖2所示。裝配難點(diǎn)主要在于分體人字齒與卷筒的裝配、分體人字齒精度的調(diào)整及大小齒輪嚙合間隙的調(diào)整，由于裝配過程較復(fù)雜且要求較高，故必須依靠工裝。

圖2 卷筒裝配順序流程圖

2 卷筒裝配方案優(yōu)化

為提升卷筒裝配精度及裝配質(zhì)量，準(zhǔn)確、高效地完成卷筒的裝配，針對(duì)卷筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了最優(yōu)的裝配方案，主要通過試驗(yàn)、工裝等提升卷筒的裝配效率，縮短裝配時(shí)間。

由于卷筒及齒圈（見圖3）直徑較大，裝配完成后還需要對(duì)2齒圈齒形的跳動(dòng)、2齒圈的同心度等進(jìn)行檢驗(yàn)，加大了裝配難度。為了保證卷筒裝配過程中齒輪及工裝不接觸底面，設(shè)計(jì)卷筒滾輪架支撐工裝、假軸承座工裝，設(shè)計(jì)吊環(huán)裝配工裝方便齒輪吊裝，設(shè)計(jì)了角度檢測樣板工裝對(duì)齒圈精度進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖3 齒圈零件示意圖

2.1 靜平衡試驗(yàn)優(yōu)化

由于卷筒材料不均勻、零件外形的誤差、加工誤差及零部件結(jié)構(gòu)形狀局部不對(duì)稱等原因[3]，導(dǎo)致卷筒在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生不均勻的慣性力，增加軸承磨損風(fēng)險(xiǎn)。為保證卷筒組使用性能及卷筒裝配順利完成，在對(duì)卷筒進(jìn)行裝配前需對(duì)卷筒進(jìn)行靜平衡[4]試驗(yàn)，靜平衡檢驗(yàn)要求應(yīng)符合

式中：P為檢測不平衡質(zhì)量，[P]為不平衡質(zhì)量的許用值。

其中，不平衡質(zhì)量的許用值[P]的計(jì)算式為

式中：G為平衡等級(jí)要求，M為靜平衡試驗(yàn)工件質(zhì)量，N為試驗(yàn)工件的最大轉(zhuǎn)速，R為工件最大旋轉(zhuǎn)半徑。

當(dāng)檢測結(jié)果為P≤[P]時(shí)，則靜平衡試驗(yàn)合格，無需在進(jìn)行平衡施工。

此次卷筒靜平衡試驗(yàn)在臥式支撐輥試驗(yàn)工裝上進(jìn)行，相比于普通卷筒靜平衡試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了大直徑卷筒專用靜平衡試驗(yàn)工裝，能支撐大直徑卷筒實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，試驗(yàn)前卷筒裝配了鋼絲繩壓板、擋板和連接螺栓等，為了防止卷筒軸外圓面試驗(yàn)過程出現(xiàn)壓傷，試驗(yàn)前對(duì)兩側(cè)卷筒軸裝配了保護(hù)套。靜平衡試驗(yàn)過程如下：

1）將臥式支撐輥試驗(yàn)工裝平放在劃線平臺(tái)上，按卷筒長度擺放好工裝架，校平2支撐架，保證支撐輥平面度不大于0.02 mm/200 mm，校平2支撐輥軸線的同軸度不大于0.1 mm/1 m。

2）將卷筒吊放在支撐輥試驗(yàn)工裝上，靜平衡試驗(yàn)工裝示意圖如圖4所示，保證卷筒兩軸端與工裝滾輪貼合良好。旋轉(zhuǎn)卷筒，尋找卷筒平衡質(zhì)量的方向，確定應(yīng)加重配重塊的位置，將卷筒往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)若干次，則重的一側(cè)必然垂直向下，如數(shù)次的結(jié)果均一致，則下方即為卷筒平衡質(zhì)量的位置，定位此點(diǎn)位置，此點(diǎn)的對(duì)稱方向便為試加平衡質(zhì)量的位置。

圖4 靜平衡試驗(yàn)工裝示意圖

3）在試加平衡質(zhì)量的位置點(diǎn)用夾裝工具將被試稱重的配重塊逐量添加，直至卷筒旋轉(zhuǎn)到任何一個(gè)角度均可自然的止步，即可滿足平衡要求。調(diào)整合格后，在卷筒內(nèi)壁對(duì)應(yīng)位置焊接相應(yīng)質(zhì)量的配重塊。

2.2 分體人字齒裝配

為保證裝配精度，對(duì)齒圈裝配前需要對(duì)零部件的主要配合尺寸進(jìn)行復(fù)檢，標(biāo)記公差進(jìn)行分組，選擇配合公差接近的卷筒、左右旋齒輪進(jìn)行裝配；零部件在裝配前不得有氧化皮、油污等，各潤滑處裝配前必須清理干凈，保證油路暢通；由于齒輪為外來件，在進(jìn)行裝配前要將齒輪銹蝕部位打磨干凈，齒面部分使用砂紙打磨，為保證齒輪精度，嚴(yán)禁使用角磨機(jī)，裝配前應(yīng)將齒輪清洗干凈，齒面不得出現(xiàn)鐵屑等雜物影響后期嚙合精度；預(yù)先將所用支撐工裝按照卷筒尺寸位置擺放在平整開闊無沉降的地面，并劃線做好標(biāo)記，提前準(zhǔn)備好所用吊帶等吊裝用具等。

2.2.1 內(nèi)齒圈裝配

齒圈與法蘭進(jìn)行裝配時(shí)，需用螺栓進(jìn)行連接，為了解決齒圈與法蘭裝配的問題，需要在法蘭上加工工藝孔，將滾輪架工裝一左一右放置在平整的地面上，將卷筒支起一定高度，在落地鏜床上鉆工藝孔，方便與齒輪進(jìn)行裝配。工裝吊起齒輪與法蘭裝配完成后，對(duì)齒輪與卷筒法蘭的徑向間隙進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果需要滿足設(shè)計(jì)最大間隙0.51 mm、最小間隙0.07 mm。

內(nèi)外齒圈在與法蘭進(jìn)行裝配時(shí)，先對(duì)內(nèi)齒圈進(jìn)行裝配，內(nèi)齒圈裝配較復(fù)雜，不僅要保證裝配過程中齒圈不接觸地面，且要保證裝配時(shí)齒圈不能磕碰繩槽、損壞齒型。為了保證裝配過程中卷筒的穩(wěn)定，在法蘭卷筒軸端安裝假軸承座、軸端擋板及軸承座底架，裝配時(shí)以支撐卷筒。由于齒圈為外來件，在裝配前對(duì)分體人字齒圈預(yù)鉆8個(gè)M30的螺紋工藝孔，方便吊環(huán)裝配工裝吊起齒輪進(jìn)行裝配，工裝由兩半拼成整圓，便于拆卸，工裝下部凸臺(tái)套入大齒輪臺(tái)階孔之后，擰緊4個(gè)均布的M30裝配螺栓，將鋼絲繩卸扣安裝在上部吊耳上，工裝吊起大齒圈（見圖5）與卷筒裝配。

圖5 工裝吊裝大齒圈

內(nèi)齒圈進(jìn)行裝配時(shí)移去右端滾輪架，工裝吊起大齒輪與工裝組件，從右端套入卷筒，套入一端距離后，重新用右端滾輪架支撐，此時(shí)，卷筒以左端的假軸承座及底架支撐，右端以卷筒滾輪架支撐，軸承座及底座裝配如圖6所示。齒輪及工裝在卷筒中間，吊起齒輪工裝套入法蘭上部，從法蘭左側(cè)插入M30的螺栓4個(gè)與齒圈預(yù)鉆孔連接，調(diào)整法蘭與大齒輪間隙，利用塞尺檢測上下、左右間隙一致，合格后擰緊螺栓。

圖6 軸承座及底座裝配示意圖

此時(shí)拆下齒輪工裝2半連接螺栓，下半部從卷筒下部放平之后吊出，上半部通過鋼絲繩穿入吊耳從上部吊出。在內(nèi)齒輪工裝安裝面裝配4個(gè)M24的螺栓并擰緊，并依次拆下法蘭左側(cè)4個(gè)M30螺栓，卷筒重新使用2個(gè)滾輪架支撐，拆去左端假軸承座及底座，為外齒圈裝配做準(zhǔn)備。

2.2.2 外齒圈裝配

對(duì)外齒圈進(jìn)行安裝時(shí)，工裝的拆卸成為了外齒圈裝配時(shí)的難點(diǎn)問題，為了解決外齒圈裝配問題，設(shè)計(jì)了異形螺桿（見圖7），方便外齒圈的裝配及吊環(huán)裝配工裝的拆卸。

圖7 異形螺桿零件圖

吊起齒輪工裝與外齒輪組件，套入法蘭外側(cè)上部，從內(nèi)齒輪外側(cè)將準(zhǔn)備好的4個(gè)異形螺桿及M24螺母與大齒輪預(yù)鉆孔連接，預(yù)緊固后調(diào)整外部大齒輪與法蘭間隙，并在檢測孔處用塞尺檢測上下、左右間隙一致，經(jīng)檢驗(yàn)后擰緊螺栓。拆去齒輪外部工裝后，在外齒輪外側(cè)裝配4個(gè)M24螺栓，拆下4個(gè)異形螺桿及螺母，之后便可對(duì)齒輪精度進(jìn)行調(diào)整，在吊裝過程中應(yīng)保護(hù)繩槽、齒型及其他加工面。

2.3 齒圈精度調(diào)整

為保證2齒圈的同軸度及齒形的跳動(dòng)合格，在裝配完成后需要對(duì)2齒圈的精度進(jìn)行調(diào)整，以保證大小齒輪工作時(shí)完全嚙合。采用角度檢測樣板工裝對(duì)齒輪裝配情況進(jìn)行檢測，調(diào)整外齒圈齒面與內(nèi)齒圈齒面螺旋角頂點(diǎn)在法蘭中間重合，用角度檢測樣板放在2齒輪分度圓位置處，并通過螺釘、螺母調(diào)整到分度圓位置，用塞尺測樣板兩側(cè)間隙，保證2齒輪的樣板四邊間隙一致，偏差小于0.1 mm，角度檢測板檢測齒輪精度如圖8所示。利用百分表測量2齒形的徑向跳動(dòng)及2齒圈的同心度，經(jīng)測量，齒形徑向跳動(dòng)0.25 mm，2齒圈同心度值0.05 mm，滿足齒圈精度要求。

圖8 角度檢測板檢測齒輪精度

2.4 鉆孔加工說明

根據(jù)卷筒加工要求，需要對(duì)齒圈及法蘭在落地鏜上進(jìn)行鉆孔，加工工藝孔前先對(duì)齒圈對(duì)正，之后利用角度檢測樣板和塞尺檢測人字齒精度及齒輪間隙符合要求。在落地鏜上利用滾輪架支撐卷筒，找正卷筒軸向水平、齒輪面垂直，編程走坐標(biāo)，在未裝配螺栓的位置對(duì)稱鉆8個(gè)鉸孔定位，采用鉸制螺栓連接緊固，對(duì)稱拆下原裝配的M24工藝螺栓，鉆8個(gè)φ39 mm孔，走坐標(biāo)，在未裝配螺栓的位置均布鉆小孔定位、擴(kuò)孔，并鉆剩下的16個(gè)φ39 mm孔，采用螺栓連接，保證每個(gè)螺栓安裝預(yù)緊力345 kN，再次復(fù)檢裝配間隙和2齒輪螺旋角重合度合格。

3 大小齒輪嚙合間隙調(diào)整

齒輪嚙合[5]間隙過大，不僅會(huì)導(dǎo)致嚙合時(shí)齒輪出現(xiàn)滑動(dòng)，加速齒輪的磨損，還會(huì)導(dǎo)致傳遞精度下降；間隙過小則會(huì)導(dǎo)致齒輪溫度升高、磨損加劇。為了保證大小齒輪能正常運(yùn)行，根據(jù)卷筒工作及裝配方案的要求，需要對(duì)大小齒輪嚙合間隙調(diào)整。對(duì)大小齒輪嚙合間隙進(jìn)行調(diào)整的主要目的在于保證卷筒工作系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止齒輪工作時(shí)因?yàn)闇囟壬?、齒輪受力變形等發(fā)生齒輪的卡滯現(xiàn)象。由于2齒輪裝配完成后不能保證與卷筒完全同心，存在誤差，在軸承座與卷筒裝配之前需再次對(duì)卷筒進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)，軸承座安裝完畢后，再對(duì)大小齒輪嚙合間隙進(jìn)行調(diào)整。

小齒輪軸與分體小齒圈為外購部件，在對(duì)大小齒輪嚙合間隙調(diào)整前齒輪軸與小齒圈已裝配完畢，裝配時(shí)要求小齒輪內(nèi)孔與齒輪軸符合配合要求、小齒輪夾角、裝配精度及齒輪圓跳動(dòng)等符合技術(shù)要求。通過調(diào)整小齒輪端面與大齒輪端面平行，保證平面偏差符合圖紙要求，根據(jù)大小齒輪圖紙示意圖進(jìn)行裝配時(shí)，要先保證大小齒輪水平測量中心距離1 971.9 mm。

大小齒輪嚙合間隙可以通過塞尺或壓鉛法進(jìn)行測量[6，7]，通過調(diào)整大小齒輪中心距，使齒側(cè)間隙大小發(fā)生變化，這不僅可以實(shí)現(xiàn)間隙值的調(diào)整，還可以檢驗(yàn)分體人字齒的裝配精度。通過利用紅丹粉在齒面涂抹（見圖9），人工盤動(dòng)減速機(jī)高速軸旋轉(zhuǎn)，檢測大小齒面結(jié)合精度，結(jié)果應(yīng)保證經(jīng)驗(yàn)側(cè)隙值為0.6～0.72 mm，相對(duì)人字齒左右旋齒對(duì)稱偏差小于0.1 mm，若誤差不滿足要求，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，直到滿足驗(yàn)收要求。

圖9 大小齒輪嚙合間隙調(diào)整示意圖

4 結(jié)語

卷筒與分體人字齒裝配過程中易出現(xiàn)齒形跳動(dòng)不合格、裝配精度及大小齒輪嚙合間隙不達(dá)標(biāo)等問題，加之卷筒自重大、直徑大，導(dǎo)致裝配難度過大。工裝的使用降低了制造成本、縮短了裝配周期，解決了首例大直徑卷筒分體人字齒的裝配及大小齒輪嚙合間隙調(diào)整問題?；诋?dāng)前的加工工藝條件和工藝裝備，為大直徑卷筒的裝配提供了保障。

本文通過介紹大直徑卷筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)卷筒裝配方案進(jìn)行了優(yōu)化。設(shè)計(jì)的靜平衡試驗(yàn)工裝，保證了卷筒旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定，為裝配作業(yè)的準(zhǔn)確完成奠定了基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的吊環(huán)裝配工裝及分體人字齒精度檢測工裝，使卷筒與分體人字齒的裝配工作順利完成，裝配質(zhì)量與精度也得到了有效保證，裝配效率提升了100%，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。此次卷筒與分體人字齒的裝配為后續(xù)卷筒裝配積累了經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為以后結(jié)構(gòu)相似卷筒的裝配提供了參考。