液壓圓錐破碎機齒輪噪聲研究

秦在智，沈俊萍，汪 洋

洛陽大華重工科技股份有限公司 河南洛陽 471023

液壓圓錐破碎機是礦山、建材等行業中細碎作業的關鍵設備，具有生產能力高、產品粒型好、工作穩定及性能可靠等特點，廣泛應用于河卵石、花崗巖、石灰石以及有色、黑色金屬礦的破碎作業[1]。

齒輪傳動是液壓圓錐破碎機傳動系統中必不可少的一環，齒輪傳動噪聲是液壓圓錐破碎機噪聲的主要來源。噪聲污染環境、降低工作效率，危害人們的身心健康，早已成為威脅人類生存的三大公害之一。同時，噪聲也是液壓圓錐破碎機質量的綜合體現，反映了產品的設計、制造水平，并直接影響其經濟價值。因此，控制齒輪傳動噪聲既是環境保護的迫切需求，也是提高圓錐破碎機產品質量、增強產品競爭力所必須解決的問題。

1 齒輪傳動系統工作原理

液壓圓錐破碎機齒輪傳動系統通常由大、小圓錐齒輪構成，如圖 1 所示。其動力由電動機通過三角帶傳遞給傳動軸及小錐齒輪，小錐齒輪驅動大錐齒輪繞旋轉軸轉動，大錐齒輪驅動偏心套部及動錐部做偏心運行[2]，在破碎腔中進行破碎作業。

圖1 液壓圓錐破碎機齒輪傳動系統簡圖Fig.1 Sketch of gear transmission system of hydraulic cone crusher

2 齒輪噪聲產生機理

2.1 齒輪振動噪聲分析

(1) 節線沖力 在齒輪的每個嚙合周期中，輪齒并不完全是滾動接觸，小齒輪壓力作用點從輪齒齒根移向齒頂，大齒輪壓力作用點從輪齒齒頂移向齒根，因此，在相互嚙合的兩輪齒間出現相對滑動。嚙合開始時，相對滑動速度由大變小，在到達節圓切點處減小為零；然后改變相對滑動速度的方向，速度由小變大，在嚙合終了時達到最大。輪齒間有相對滑動，產生滑動摩擦力，當相對滑動速度在節圓切點處改變方向時，滑動摩擦力也隨之改變方向，所產生的沖擊力稱為節線沖力[3]。齒輪傳動過程中周期、脈沖性的節線沖力是產生齒輪噪聲的主要原因之一。

(2) 嚙合沖力 齒輪在傳動過程中要傳遞轉速和轉矩，輪齒受到彎曲應力和接觸應力，當一個輪齒進入嚙合時開始承受載荷，且載荷逐漸增大，而當退出嚙合時輪齒所受載荷由大變小。當已嚙合輪齒在受載后略微彎曲，而新進入嚙合的輪齒不能與其平滑接觸而發生碰撞，這種因輪齒受到交替變化應力而產生的輪齒間的撞擊力稱為嚙合沖力。嚙合沖力造成振動，也是產生齒輪噪聲的原因。

2.2 噪聲影響因素分析

液壓圓錐破碎機齒輪傳動系統由小錐齒輪、大錐齒輪、傳動軸、偏心套、大齒輪座組成，它們密閉在由下架體和密封筒組成的箱體中，這些零部件都是齒輪傳動系統的噪聲源。大小錐齒輪在嚙合過程中的周向振動和嚙合沖擊產生的噪聲，直接或間接地通過轉動軸、偏心套等其他系統零部件傳播到空氣中；同時，由于沖擊而產生的強迫振動也使各零部件被激勵，產生二次振動。振動噪聲向外傳播，一部分遇到箱體被反射，另一部分被箱體或其他部件吸收，還有一部分則透過箱壁輻射到箱體外，導致箱體振動，箱體對振動噪聲還會起到放大的作用。

影響液壓圓錐破碎機齒輪傳動系統噪聲的因素主要有以下幾個方面：

(1) 齒側間隙 齒輪嚙合傳動時，為了在嚙合輪齒間形成潤滑油膜，避免因輪齒摩擦發熱膨脹而卡死，輪齒之間必須留有一定間隙，此間隙稱為齒側間隙[4]，如圖 2 所示。齒側間隙的存在會造成變載時嚙合沖力，產生噪聲，因而齒側間隙應控制在合理的范圍內。齒側間隙過小會出現嚙合干涉現象，導致噪聲增大；齒側間隙過大，輪齒間的嚙合沖力變大，同樣會使噪聲增大。

(2) 輪齒接觸率 輪齒接觸區過小，單個輪齒受到的嚙合沖力過大，會使噪聲增加。輪齒的嚙合接觸區應位于齒面的中部 (偏于小端的中部區域)，沿齒寬和齒高方向接觸率不小于 50%，載荷越大，嚙合接觸面越應靠近錐齒輪的小端。

(3) 加工、安裝誤差 液壓圓錐破碎機的錐齒輪尺寸比較大，加工難度較高，加工過程中易產生加工誤差；齒輪、傳動軸、偏心套等零部件安裝過程比較復雜，難度大、要求高，在安裝過程中易出現偏差。齒輪加工和安裝過程產生的誤差，易導致齒輪嚙合傳動條件變差，使節線沖力和嚙合沖力增大，從而產生較大噪聲。

(4) 工況 液壓圓錐破碎機的作業環境一般較為惡劣，粉塵大，生產過程中常有間斷的強烈沖擊，造成齒輪在嚙合過程中的波動與摩擦，使噪聲增大。

3 噪聲控制措施

(1) 減小齒輪模數 齒輪嚙合時的振動主要是由輪齒所受的彎曲變形和嚙合剛度變化等引起的，而輪齒的剛度變化又與模數呈正相關，因此適當減小模數可減小齒輪的振動，從而降低噪聲。

(2) 增加齒寬 齒寬變化引起噪聲改變的原因在于噪聲能量沿齒寬方向上衰減程度不同，齒寬越大，噪聲能量衰減越多，噪聲趨于降低。齒寬的增加可以在一定程度上減小齒輪的計算應力及變形等，有利于減小齒輪的工作噪聲。

(3) 增大重合度 增大重合度可以使單對輪齒的負荷減小，從而減輕輪齒嚙合時的節線沖擊，降低齒輪噪聲。隨著接觸齒對的增加，單對輪齒的傳動誤差被平均化，減小了齒輪的嚙合沖擊，從而減小了噪聲。

(4) 增大螺旋角 圓錐齒輪是從輪齒的一端逐漸進入嚙合，嚙合沖擊小噪聲就低。一般來說，隨著螺旋角的增大，重合度增大，噪聲降低。

(5) 提高齒輪加工、安裝精度 齒輪的加工、安裝精度越高，輪齒表面粗糙度越小，齒側間隙和嚙合痕跡控制得就越好，輪齒在嚙合傳動過程中的節線沖擊和嚙合沖擊就越小，噪聲就越低。

4 噪聲控制實例

以某型液壓圓錐破碎機為例，通過試驗說明齒側間隙和輪齒接觸率兩方面對齒輪傳動噪聲的影響。

(1) 在其他條件不變的情況下，僅通過調節齒側間隙，齒輪傳動噪聲試驗數據如表 1 所列。

表1 噪聲試驗數據 1Tab.1 Noise test data 1

試驗表明，齒側間隙應控制在一個合理的范圍內，過大或過小都會使噪聲增大。實際上對于錐齒輪來講，初始安裝側隙應與齒輪加工出廠記錄基本保持一致，否則還會影響最佳接觸率的調整。

(2) 在其他條件不變的情況下，僅通過調節輪齒接觸率，齒輪傳動噪聲試驗數據如表 2 所列。

表2 噪聲試驗數據 2Tab.2 Noise test data 2

試驗表明，齒輪接觸情況對齒輪噪聲的影響較大，輪齒接觸情況較好時，可有效降低齒輪傳動噪聲。

圖3 輪齒接觸情況Fig.3 Gear teeth contact state

5 結語

對液壓圓錐破碎機齒輪傳動噪聲實施控制，既是環境保護的需求，同時又是衡量產品性能的一項重要指標。通過研究噪聲產生機理，采取優化設計參數、提高生產和裝配精度等多種措施，可達到降低噪聲、提高產品質量、增強產品競爭力的目的。