冶金機(jī)械鼓形齒接軸聯(lián)軸器減振設(shè)計(jì)

趙 強(qiáng)

（天津冶金軋一華信制鋼有限公司，天津 300383）

在冶金重工機(jī)械設(shè)備主傳動(dòng)系統(tǒng)中，一般應(yīng)用鼓形齒接軸聯(lián)軸器作為傳動(dòng)系統(tǒng)的連接裝置，承擔(dān)電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的重任。在重工機(jī)械主傳動(dòng)裝置不斷運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，鼓形齒接軸聯(lián)軸器會(huì)隨著主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)發(fā)生震動(dòng)，這種震動(dòng)不僅影響鼓形齒接軸聯(lián)軸器的使用壽命，而且還會(huì)影響主傳動(dòng)系統(tǒng)配件的精密度，影響主傳動(dòng)系統(tǒng)的功能。研究冶金鼓形齒接軸聯(lián)軸器的減震設(shè)計(jì)對(duì)于延長(zhǎng)鼓形齒接軸聯(lián)軸器的使用壽命，減少主傳動(dòng)系統(tǒng)的故障有著重要的意義。因此，本文對(duì)這一課題進(jìn)行了研究。

1 冶金機(jī)械鼓形齒接軸聯(lián)軸器及其振動(dòng)

冶金機(jī)械鼓形齒接軸聯(lián)軸器一般用于冶金機(jī)械設(shè)備的主傳動(dòng)系統(tǒng)。冶金機(jī)械的主傳動(dòng)系統(tǒng)的主要裝置包括電動(dòng)機(jī)、鼓形齒接軸、齒式聯(lián)軸器、齒輪機(jī)座、主傳動(dòng)減速機(jī)、電機(jī)聯(lián)軸器、軋輥等。鼓形齒接軸聯(lián)軸器用于連接運(yùn)動(dòng)軸和主動(dòng)軸，它在冶金機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程中傳遞扭矩。使運(yùn)動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)。鼓形齒接軸聯(lián)軸器是一個(gè)合理荷載較大的多齒接觸連接器，它由聯(lián)軸器、內(nèi)齒圈組成。同一鼓形齒接軸聯(lián)軸器的內(nèi)齒圈和聯(lián)軸器齒數(shù)相同，其齒面疲勞磨損或震動(dòng)磨損將直接影響冶金機(jī)械的傳動(dòng)頻率。冶金機(jī)械主傳動(dòng)系統(tǒng)在長(zhǎng)期外載荷作用下，隨著載荷的增加，轉(zhuǎn)軸的扭矩增大，鼓形齒接軸聯(lián)軸器在長(zhǎng)期外力荷載下就會(huì)發(fā)生疲勞性損傷，導(dǎo)致使用壽命縮短。在冶金機(jī)械鼓形齒接軸聯(lián)軸器設(shè)計(jì)中，一般用“扭矩放大系數(shù)（TAF）”來(lái)評(píng)定機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)某一個(gè)外加載荷的響應(yīng)。扭矩放大系數(shù)的計(jì)算公式為：TAF=。在鼓形齒接軸聯(lián)軸器的施工設(shè)計(jì)中，允許較大的角位移。因此，通過(guò)良好的輪齒接觸條件，可以提高傳遞扭矩的能力，減輕主傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)中振動(dòng)引起的新的疲勞損傷，從而延長(zhǎng)冶金機(jī)械鼓形齒接軸聯(lián)軸器的使用壽命[1-3]。

2 影響冶金機(jī)械鼓形齒接軸聯(lián)軸器產(chǎn)生振動(dòng)的因素

鼓形齒接軸聯(lián)軸器在勻速低速運(yùn)動(dòng)的條件下，鼓形齒接軸聯(lián)軸器的振幅基本穩(wěn)定，當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)較快時(shí)，傳動(dòng)速度的提高會(huì)增加鼓形齒接軸聯(lián)軸器的外載荷，從而產(chǎn)生齒輪嚙合間隙，這一點(diǎn)在轉(zhuǎn)速增加的情況下更為明顯。間隙的產(chǎn)生會(huì)影響振動(dòng)源的產(chǎn)生，導(dǎo)致鼓形齒接軸聯(lián)軸器在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)。

2.1 鼓形齒接軸中心線偏差

鼓形齒接軸中心線偏差表示主動(dòng)軸、動(dòng)軸兩軸未在同一中心線，兩軸為不對(duì)中狀態(tài)。不對(duì)中狀態(tài)是影響鼓形齒接軸聯(lián)軸器發(fā)生振動(dòng)的因素之一。這種問(wèn)題會(huì)造成接軸部位發(fā)生傾斜角，根據(jù)鼓形齒接軸聯(lián)軸器的運(yùn)動(dòng)原理，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，齒圈頂部與輪齒接觸處會(huì)產(chǎn)生間隙，鼓形齒輪聯(lián)軸器主動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則振蕩。

2.2 齒輪箱嚙齒嚙合頻率

齒輪箱連接軸承座和接軸。在傳動(dòng)系統(tǒng)中，傳動(dòng)扭矩隨主軸的旋轉(zhuǎn)而驅(qū)動(dòng)齒輪箱，當(dāng)嚙合頻率加倍，且傳動(dòng)頻率有缺陷時(shí)，頻譜圖的扭矩就會(huì)不穩(wěn)定，因此會(huì)加劇震動(dòng)的發(fā)生。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)漸開線沿齒廓齒輪節(jié)點(diǎn)的單齒嚙合時(shí)，當(dāng)兩軸速比同時(shí)存在時(shí)，嚙合頻率不一致。在這種情況下，鼓形齒接軸聯(lián)軸器不會(huì)傳遞扭矩，但會(huì)增加鼓形齒輪聯(lián)軸器的振動(dòng)。

2.3 連接軸角速度

連接軸的角速度與該軸端齒輪齒數(shù)的乘積所構(gòu)成的激振頻率也是振源影響因素之一。連接軸在轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，角速度始終是不變的，而線速度與鼓形齒接軸聯(lián)軸器的半徑有關(guān)系。當(dāng)半徑越大時(shí)，線速度相對(duì)越小，而半徑越小時(shí)，角速度與線速度越接近。當(dāng)連接軸角速度增大時(shí)，主傳動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)、主軸之間的張力就會(huì)增加，張力越大，鼓形齒接軸聯(lián)軸器在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下所受的振動(dòng)就會(huì)越大。同時(shí)，連接軸的角速度對(duì)于鼓形齒接軸聯(lián)軸器產(chǎn)生的振動(dòng)并非持續(xù)性的，而是與主傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。

3 冶金機(jī)械鼓形齒接軸聯(lián)軸器的減震設(shè)計(jì)

鼓形齒接軸聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB5782-86、GB27-88。鼓形齒接軸聯(lián)軸器的振動(dòng)與傳動(dòng)扭矩有著緊密的聯(lián)系，其中，中心管和內(nèi)外齒是影響傳遞扭矩的重要因素。在監(jiān)控冶金機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)電機(jī)與減速機(jī)之間的間距過(guò)長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)將中心管作為傳遞扭矩的裝置連接起來(lái)。設(shè)計(jì)鼓形齒接軸聯(lián)軸器可通過(guò)增大角位移來(lái)改善齒輪與軸連器的基本條件，增強(qiáng)傳遞扭矩，減速鼓形齒接軸聯(lián)軸器的疲勞損傷。上述方法均能有效地緩解冶金機(jī)械鼓形齒接軸聯(lián)軸器在運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振動(dòng)。

3.1 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改造

在鼓形齒輪聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)加強(qiáng)平衡設(shè)計(jì)。對(duì)接軸應(yīng)采用十字結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。應(yīng)加強(qiáng)主動(dòng)軸和活動(dòng)軸的配重設(shè)計(jì)，減少兩軸的偏差，以減少鼓形齒輪聯(lián)軸器的振動(dòng)[4]。

3.2 加強(qiáng)定齒精度設(shè)計(jì)

鼓形齒接軸聯(lián)軸器的定齒精度是主傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中影響齒圈與聯(lián)軸器發(fā)生頂部間隙和側(cè)間隙的主要原因，因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)齒輪的尺寸、固定齒的位置和聯(lián)軸器的精度控制。

3.3 上下軸連接同位設(shè)計(jì)

上下軸的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)是確保鼓形齒接軸聯(lián)軸器周長(zhǎng)與間隙緊密結(jié)合的關(guān)鍵。上下軸同位設(shè)計(jì)可以減小圓周與孔的位置偏差，從而減少振動(dòng)的發(fā)生。

3.4 設(shè)計(jì)接軸保持器

接軸保持器可以改變鼓形齒接軸聯(lián)軸器不對(duì)中的問(wèn)題，減少鼓形齒接軸聯(lián)軸器在運(yùn)動(dòng)中下落引起的振動(dòng)。

3.5 周與孔的設(shè)計(jì)

周與孔要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)選擇尺寸，確保絕對(duì)的精度。

3.6 中心管設(shè)計(jì)

鼓形齒接軸聯(lián)軸器其傳遞扭矩受中心管的因素較大。一般中心管越長(zhǎng)，扭矩就會(huì)越小。因此要合理的設(shè)計(jì)中心管長(zhǎng)度。中心管長(zhǎng)度設(shè)計(jì)可多次調(diào)整，以聯(lián)軸器的動(dòng)態(tài)平衡試驗(yàn)為依據(jù)，達(dá)到平衡狀態(tài)即可。

3.7 聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、轉(zhuǎn)矩、軸端直徑的選定

以傳遞公稱轉(zhuǎn)矩710-1000000N·m，齒較補(bǔ)償量≤1的軸連器為例，軸連器轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：Tc=kT=k·≤TnN·m，其中Tc表示計(jì)算轉(zhuǎn)矩，T表示理論轉(zhuǎn)矩，Tn表示公稱轉(zhuǎn)矩，Pw表示驅(qū)動(dòng)功率，n表示工作轉(zhuǎn)速，k表示工作狀系數(shù)。其中工況系數(shù)為1～1.5時(shí)，表示荷載較為均勻，工況系數(shù)為1.5～2.5時(shí)，表示荷載沖擊和沖擊荷載中等，工況系數(shù)大于2.5時(shí)，荷載沖擊和沖擊荷載較大。計(jì)算出轉(zhuǎn)矩后，在結(jié)合冶金機(jī)械鼓形齒接軸聯(lián)軸器設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速選擇鼓形齒接軸聯(lián)軸器的型號(hào)。

3.8 基本參數(shù)和尺寸的選定

鼓形齒接軸聯(lián)軸器尺寸的設(shè)計(jì)可以參考鼓形表。以12號(hào)鼓形齒接軸聯(lián)軸器為例，其尺寸可選擇B=406；Ly=252；Cy=8；D=448；D1=370；D2=286；d=150。主要參數(shù)設(shè)計(jì)可通過(guò)計(jì)算、查表獲取。冶金機(jī)械某12號(hào)的鼓形齒接軸聯(lián)軸器主動(dòng)端為Y型軸孔，動(dòng)端為Y型軸孔，軸連器為150×252，主要參數(shù)規(guī)格設(shè)計(jì)如下：模數(shù)參數(shù)為6cm，齒數(shù)52，分度圓壓力角為20°，外齒軸套寬度為50cm，作用力至根圓距離為1.5m，刀具位移圓半徑為121mm。

4 結(jié)論

綜上所述，冶金機(jī)械鼓形齒接軸聯(lián)軸器對(duì)于精度要求較高，其裝配尺寸、結(jié)構(gòu)、兩軸之間的位置等精度偏差都會(huì)影響鼓形齒接軸聯(lián)軸器在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)發(fā)生振動(dòng)，并且，在工作環(huán)境中，由于冶金機(jī)械裝配件溫度的影響，導(dǎo)致偏差增大，加劇了鼓形齒接軸聯(lián)軸器震動(dòng)程度，加劇其運(yùn)行中的磨損。因此，冶金機(jī)械鼓形齒接軸聯(lián)軸器設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)度控制，減小精度偏差。對(duì)于不同材質(zhì)的鼓形齒接軸聯(lián)軸器，還應(yīng)有針對(duì)性的分析振動(dòng)對(duì)接軸聯(lián)軸器的影響。根據(jù)其材質(zhì)特性，控制精度偏差，不斷的調(diào)整設(shè)備偏差和齒輪中心線，使接軸聯(lián)軸器運(yùn)動(dòng)更加標(biāo)準(zhǔn)平衡，達(dá)到減震的目的。