大錐孔結構零件中錐孔在線測量方法研究

□ 陳宗瑞 □周 偉 □陳柏宇

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1 研究背景

隨著國家風電政策調整,市場需求發生了巨大變化,未來,風電機組技術將向大功率和海上應用領域發展[1],4 MW～7 MW風電機組將成為主流機型[2]。根據主傳動鏈的特點,風電機組可分為高速雙饋風電機組、半直驅風電機組、低速永磁風電機組。其中，高速雙饋風電機組占據大部分市場份額,是主流技術。高速雙饋風電機組主傳動鏈結構如圖1所示，其中，AC/DC為輸入交流電源轉直流電源，DC/AC為直流電源轉交流電源輸出。

▲圖1 高速雙饋風電機組主傳動鏈結構

齒輪箱作為高速雙饋風電機組的核心部件[3],行業內多采用兩級NGW行星輪系加一級平行軸結構[4]。行星齒輪結構如圖2所示。通常將行星齒輪支承軸承通過過盈配合安裝在行星齒輪內部,將行星齒輪內孔設計為支承軸承的軸承座。在實際使用中，行星齒輪受載后會發生傾斜、扭曲等多種形式的彈性變形,進而導致行星齒輪軸承外圈發生竄動、打滑,嚴重降低傳動系統的承載能力,并會產生異常振動、齒輪間異常嚙合，甚至會使軸承碎裂、輪齒斷裂,從而降低傳動系統的可靠性[5-6]。

▲圖2 行星齒輪結構

隨著風電機組功率的提高,工作載荷大幅增大,為了解決行星齒輪軸承外圈竄動問題,同時提高軸承的承載能力,減小齒輪箱徑向尺寸，提高齒輪箱傳遞功率能力,多家公司采用無軸承外圈的行星齒輪與軸承集成設計方案,將行星齒輪內孔設計為錐孔，作為軸承外圈。為了更好地控制行星齒輪與軸承的工作狀態,對行星齒輪軸承采用負游隙設計。無外圈圓錐軸承行星齒輪集成結構如圖3所示。

▲圖3 無外圈圓錐軸承行星齒輪集成結構

在現有技術中,對于小錐孔結構零件的磨削加工，一般選擇塞規進行在線測量。通過目測塞規錐面的接觸面積和塞規端面與工件端面的高度差，計算出加工余量,來保證錐孔的加工精度要求。但是，對于大錐孔結構的零件，上述常規塞規測量方法無法滿足測量要求,主要原因是塞規由于自身重力在測量過程中會產生操作誤差,影響實際測量結果。另一方面，通過目測判斷，要求操作人員具備豐富的工作經驗,生產效率較低。對此，筆者通過對行星齒輪錐孔在線測量技術進行研究,提出一種大錐孔結構零件在線磨削加工測量的新方法。

2 行星齒輪參數

以某大功率風電機組齒輪箱為例,行星齒輪精度等級為ISO 1328標準中的5級，主要參數見表1。

表1 行星齒輪主要參數

3 行星齒輪技術要求

行星齒輪采用18CrNiMo7-6低碳合金鋼制造[7],齒輪齒面洛氏硬度(HRC)為58～62,齒輪芯部洛氏硬度(HRC)為30～45[8],齒面有效滲碳層深為3.5～4.0 mm[9]。行星齒輪內孔，即軸承滾道的洛氏硬度(HRC)為56～60,內孔表面最小有效硬化層深不小于3.0 mm,內孔圓錐角為34°±0.011°,內孔表面粗糙度Ra為0.3 μm[10],內孔圓度小于0.005 mm,內孔直線度小于0.004 mm,不允許有凹面。行星齒輪結構如圖4所示。

▲圖4 行星齒輪結構

4 測量工裝

測量工裝由圓柱塞規和大、小標準量球組成,如圖5所示。為減輕圓柱塞規的重力，便于操作,圓柱塞規可設計為空心,外形尺寸與測量孔徑尺寸相匹配,長度一般超出被測孔徑端面10～100 mm。標準量球直徑分別選取14 mm和18 mm。

▲圖5 測量工裝

5 測量方法

5.1 行星齒輪找正

將行星齒輪裝夾在立式磨床工作臺上,如圖6所示。將百分表靠在內孔A上,通過旋轉工作臺來檢驗內孔A的軸線與工作臺的垂直度。旋轉工作臺，百分表無變化，表示內孔A軸線與工作臺垂直,此時完成行星齒輪的正確裝夾。

▲圖6 行星齒輪裝夾

5.2 加工測量基準

用砂輪磨削錐孔B的端面，保證端面與工作臺的平行度,并作為測量基準。

5.3 加工錐孔錐度

將砂輪架角度調整至17°后，開始對錐孔B進行磨削加工。如圖7所示，待錐孔B表面加工完成后,將圓柱塞規放入內孔A內,并調整至合適位置，保證圓柱塞規與行星齒輪內孔A同軸。

5.4 在線測量錐度

沿圓柱塞規外圓軸向，在圓柱塞規與錐孔B之間放入大、小標準量球,分別測量小標準量球頂端與圓柱塞規上端面距離Hd、大標準量球頂端與圓柱塞規上端面距離HD，通過式(1)計算行星齒輪內孔圓錐角。

(1)

式中:α為1/4行星齒輪內孔圓錐角;D為大標準量球直徑;d為小標準量球直徑。

▲圖7 錐角在線測量方法

5.5 復核大端直徑

在錐度滿足設計要求后,還需要校核錐孔的大端直徑或錐孔深度是否滿足設計要求。行星齒輪錐孔大端直徑φ1為：

(2)

式中:φ2為圓柱塞規外徑;h為圓柱塞規端面至行星齒輪端面的距離。

判斷行星齒輪內孔錐度是否達到加工精度要求,需要在錐孔圓周至少測量四次。計算得到的錐角和大端直徑均滿足設計公差要求,才能證明加工的內孔錐角滿足設計要求,進而完成行星齒輪內孔錐度的磨削加工和在線測量。

6 結束語

筆者對大錐孔結構零件中錐孔的在線測量方法進行了研究，介紹了大錐孔錐度和大端直徑在線測量方法，操作方便，并且強度低。測量時，可以充分利用生產中現有的量具,不需要特殊定制。測量裝置結構簡單,可以避免特殊量具在組裝過程中產生的誤差。工件一次裝夾即可加工到位,調試方便,節省了加工時間,并能保證錐孔的相關尺寸精度要求,具有較好的推廣價值。