操作機鉗桿旋轉減速機失效分析

陳宏偉，謝春普，張樹慶，王高鋒

(1．滄州東塑集團滄州明珠塑料股份有限公司，河北 滄州 061000;2．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

鍛造操作機是鍛壓機組中最主要的輔機，是鍛造車間實現鍛造機械化與自動化的重要設備，主要用于夾持鍛件來配合主機完成鍛造工序，其特點是載荷大、慣性大、自由度多、操控能力強。本文主要針對操作機鉗桿旋轉減速機的失效原因進行分析，并提出建議。

1 操作機及鉗桿旋轉減速機結構

1.1 操作機的主要結構及其功能

操作機主要由主框架、前后輸送架、連桿、平衡桿、前后輪組、提升缸、水平缸、傾動缸、前后側移、動力頭、夾鉗頭、鉗臂等部分組成如圖1所示。

圖1 操作機實物圖Fig.1 Picture of forging manipulator

操作機夾持鋼錠做翻轉、提升、傾斜、側移、側擺和進退等動作。操作機通過前后輪組，在軌道上實現前后進退動作，其動力部分由液壓馬達帶動大車行走減速機，再帶動鏈輪來實現的。

1.2 鉗桿旋轉裝置結構

鉗桿旋轉采用大力矩液壓馬達后置驅動，通過減速機輸出軸的小齒輪與位于回轉套筒上的大齒圈嚙合，將旋轉動力傳遞到回轉套筒上，回轉套筒與鉗頭用螺栓連為一體，從而帶動鉗頭旋轉。鉗架前后軸承分別安裝在前后軸承座中，均采用調心滾子軸承，前調心滾子軸承主要用于承載徑向力，后調心滾子軸承用于消除鉗架在旋轉過程中彎曲變形對軸承產生的附加力。兩個旋轉液壓馬達和齒輪位于鉗身后部，其機構的結構如圖2所示。

圖2 鉗桿及鉗頭旋轉裝置結構圖Fig.2 Structure of rotary apparatus of nippling lever and tong head

鉗桿旋轉減速機由液壓馬達驅動，其里面裝有彈簧制動液壓開啟的摩擦片式停車制動器，由兩級或三級行星減速器和輸出小齒輪組成。減速機通過螺栓連接在操作機機架上。鉗桿旋轉減速機存在頻繁啟動和制動，頻繁正反向回轉運動，工況非常惡劣，其結構原理如圖3所示。

圖3 鉗桿旋轉減速機兩級行星傳動原理圖Fig.3 Transmission principle of two-stage epicyclic gear in nippling lever rotary reduction box

2 減速機工況及失效形式

鉗桿旋轉減速機工況:頻繁正反轉動，瞬間沖擊巨大、頻繁，頻繁制動，夾持鍛件偏心引起的載荷變化大，可控性差。

操作機鉗桿旋轉減速機常見失效形式有以下幾種:

(1)減速機與機架相聯螺栓、定位銷剪切破壞;

(2)減速機機體破壞;

(3)減速機輸出小齒輪和大齒圈嚴重磨損，如圖4所示;

(4)減速機本體軸、行星架斷裂等(圖4)。

圖4 小齒輪磨損失效和行星架斷裂失效Fig.4 Invalidations of pinion wear-down and epicyclic gear frame crack

3 失效原因分析

(1)鉗桿旋轉減速機的輸出工作轉矩T2和輸出最大轉矩T2max計算是否考慮準確，特別是輸出最大轉矩T2max，這兩個參數是鉗桿旋轉減速機的設計依據。按照公稱載荷能力來計算T2及T2max時，還需要考慮鍛造主機沖擊載荷的影響。根據相關資料，建議取減速機KA≥2.25。

(2)由于鉗桿是通過兩個或四個鉗桿旋轉減速機來共同驅動的。多個鉗桿旋轉減速機的輸出小齒輪和鉗桿上的大齒圈進行多點嚙合。依靠液壓系統能否實現多點嚙合的均載性，還需要深入探討，建議研究多點驅動采用柔性支承機械結構的可行性，以有效減緩沖擊，均衡載荷。

(3)壓機產生的巨大反力矩通過液壓系統緩沖或釋放，而不對減速機產生沖擊和過沖擊破壞，目前看來，未能很好的解決。軸向緩沖是被動緩沖，其軸向緩沖由操作機的軸向緩沖油缸吸收，垂直方向緩沖則由壓機吸收。這樣，對操作機而言，由于鍛件偏心，變形等產生的垂直力(或轉矩)，則無緩沖吸收環節，只能通過夾鉗→大齒輪→小齒輪→減速機→液壓馬達→液壓系統后釋放，這對減速機而言是極其不利的。

另外，從理論分析可知，當鉗口同時受到水平和垂直方向兩個力時，緩沖效果將會大打折扣，理論分析可達50%，這主要是由于緩沖油缸為水平布置的結構所定。

一般的概念認為，減小緩沖油缸設定的溢流閥開啟壓力，讓水平緩沖油缸盡早發揮緩沖作用，保護操作機系統。其實不然，若過早打開水平緩沖缸，則會加大鉗口所受到的來自鍛件變形的垂直載荷，反而會對操作機更加不利。因此，何時打開，每個有經驗的廠家根據自身的設計及現場調試經驗均有所不同。

(4)鍛件偏心或過長時更容易產生上述問題。現場了解到，特別是長軸件，由于偏載過大，工作非常困難，如某操作機加工只有額定重量15%的長軸件時，用最大壓力卻很難轉動。而正常鍛造時，加工額定重量120%的工件，均可正常工作。

下面是對鍛件偏心進行的仿真計算:

鉗桿旋轉機構是通過液壓馬達帶動齒輪進行旋轉運動的。此處液壓馬達最高壓力為20 MPa，轉速范圍為0～18 r/min－1，驅動力矩為3570 N·m，大齒輪上獲得的扭矩為M大=(Z大/Z小)·M=10897.894 N·m。

通過ADAMS軟件模擬鍛件在不同偏心值時的力矩大小變化來確定危險工況。

仿真初始，鉗口位于垂直位置，以夾鉗旋轉的最快速度(18 r/min)驅動5t鍛件旋轉。在仿真過程中，定義motion函數為(2 pi/3.3)的恒定速度驅動鉗桿旋轉，觀察驅動力矩大小的變化曲線(圖5)。

首先，假設鉗口夾持鍛件不偏心，此時力矩變化曲線如圖5所示。仿真初始鍛件要克服鍛件軸承的摩擦力矩、啟動時的慣性力矩等，力矩值變化較大，最大值為6.5 N·m。仿真一段時間后，力矩基本穩定在0.6 N·m。

圖5 鍛件不偏心時力矩變化曲線Fig.5 Torsion variation as forge piece is not off-center

實際鍛壓過程中，鍛件與鉗桿有一定的角度存在，這對力矩影響非常大。要使鍛壓過程始終處于安全工況，就有必要對鍛件不同偏心角對力矩大小的影響進行分析，如圖6所示。

圖6 不同偏心角度力矩變化圖Fig.6 Torsion variation at different off-center angles

圖6分別為鍛件偏心角度在5°、6°、7°、8°時，保持鉗桿機構以18 r/min旋轉，驅動力矩大小隨時間的變化曲線，力矩最大值分別為8619.9 N·m，10343 N·m，12063 N·m，13868 N·m。由于5 t操作機液壓馬達提供的最大力矩為10897.894 N·m，因此，比較上述各值大小，可知本例中鍛件在偏心6°以下為安全工況。

由此得到13868/10898=1.5，即超載約1.5倍。實際工作中偏心角度變化多樣，有時會更大，因此應探討合理控制夾鉗操作油缸的工作壓力，使其在偏心超載過大時，具有一定的打滑卸載能力。

(5)現場操作工的水平對其壽命影響巨大。如鍛壓長料時工件放不正，有偏心;工件正旋轉時，壓機就開始工作;其中最為嚴重的是工件還未放在砧板上，壓機就開始工作。另外跟操作工藝有關，例如停車制動，是否需要頻繁制動等。

(6)一般來說，鉗桿旋轉減速機的速比大于40。如圖3所示，對于兩級行星齒輪傳動結構，如果用在大速比(i＞38)的減速機上，就對減速機的等強度提出了挑戰。因為這將造成高速級速比大于10，結構上又有尺寸限制，不能過大，因此太陽輪比較小，兩級行星傳動不易形成等強度傳動。

(7)液壓緩沖保護系統在整個系統最末端，其響應時間太慢，從而造成其最弱環節損壞。

4 改進措施及建議

(1)精確核算驅動工作轉矩、最大工作轉矩及最大沖擊轉矩，特別是最大工作轉矩和最大沖擊轉矩最好能通過測量得到較準確的數值。按其設計，并應留有一定的安全余量，即按工作轉矩設計時，工況系數應取KA≥2.25，同時校核最大工作轉矩和最大沖擊轉矩。

(2)當速比大于38時，建議在結構上將二級傳動變為三級傳動，提高減速機各級強度及各級之間的等強度。

圖7通過一個摩擦片制動器、一級圓柱齒輪傳動和兩級行星齒輪傳動組成，并由一個小齒輪輸出。這種結構就能很好的實現各級齒輪傳動的等強度，并能提高各級齒輪傳動的強度。

(3)多點驅動應考慮采用具有均載及減緩沖擊的可能性。

(4)在鉗桿系統最前端增加過載保護系統，以有效實現對系統零部件的保護。

圖7 鉗桿旋轉減速機一級圓柱加兩級行星傳動原理圖Fig.7 Transmission principle of one-stage column gear plus two-stage epicyclic gear in nippling lever rotary reduction box

(5)加強培訓，提高現場操作工的技術水平。

5 結論

本文對操作機鉗桿旋轉減速機失效原因進行了分析，對相關設計因素的選擇進行了探討和論述。采用ADAMS軟件模擬鍛件偏心值時對力矩大小的影響，增加過載保護系統防止巨大反力矩對減速機的沖擊破壞，同時提出幾點改進措施，對操作機鉗桿旋轉減速機的設計提供參考。

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