槽式翻拋機RV 減速器傳動偏差理論分析

王飛躍，王 飛，郭憲峰，曹哲統，丁 旻，冷治濤，劉利君

（1.中國農業機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083；2.正大漢鼎現代農業科技有限公司，北京 100020）

0 引言

RV 減速機是在擺線針輪傳動基礎上創新發展起來的一種新型傳動[1]。由一個行星齒輪和一個擺線針輪前后二級組合而成。RV 減速器在農業精密裝置、軍工航天、搬運裝置等領域有著廣泛的應用[2-3]。隨著新農村經濟結構的調整，集約化、規模化、現代化使得農村中小型畜禽養殖業得到迅猛的發展[4]。然而，目前我國各類畜禽養殖場所產生的糞便、污水大部分乃至90%以上都隨意排放或露天堆漚，造成了十分嚴重的環境污染問題，因此，工廠化的規模堆肥勢在必行。堆肥的核心設備槽式翻拋機用于有機廢棄物好氧發酵過程中的物料翻拋，以達到物料充氧及移動的目的。研究人員對RV 減速器傳動精度進行了大量深入的研究，但對減速器零件偏置傳遞方面的研究仍存在不足[5-6]。針對這個問題，對翻拋機RV 減速器的傳動系統進行深入的研究與分析，特別是影響裝配精度偏差源信息和相關的關鍵技術問題，對促進RV 減速器的研究、開發、生產和應用，以及有機肥產業的發展具有重要的工程現實意義。

1 RV 減速器傳動特性研究

1.1 內部構造

RV 減速器由2 個傳動系統組成，RV-40E 型減速器2 級核心零部件按照傳動鏈順序層次展開如圖1 所示。其中第1 減速部分為正齒輪減速機構即輸入軸的旋轉從輸入齒輪傳遞到直齒輪，按齒數比進行減速；第2 減速部分為差動齒輪減速機構即直齒輪與曲柄軸相連接，變為第2 減速部的輸入。

圖1 RV-40E 型減速器傳動鏈零件Fig.1 RV-40E reducer transmission chain parts

1.2 傳動原理

把針齒殼固定好，太陽齒輪和輸入軸相嚙合連接，中心齒輪帶動3 個呈120°布置的行星齒輪轉動，3 個行星齒輪繞中心齒輪軸心公轉的同時并與公轉相逆的方向自轉，3 個行星齒輪帶動相應的曲柄軸同速轉動，曲柄軸和兩片相位差180°的擺線針輪鉸接并帶動其轉動，擺線針輪在轉動過程中與固定的針輪相嚙合，其軸線繞針輪軸線公轉的同時，還將反方向自轉。輸出機構將把擺線針輪上的自轉矢量以一定的速比傳遞出來。

2 RV 減速器偏差源分析

在 RV 減速器傳動過程中，偏差的主要來源分為零件尺寸及形位的加工偏差、零部件裝配順序和裝配定位偏差。為了便于分析偏差源的傳遞，在RV 減速器靜態下，研究影響傳動精度的偏差[7-8]。偏差源可以分為3 類。

（1）零件的幾何位置偏差，定為第1 類偏差E1。如RV 減速器中的輸入軸軸線與曲柄軸軸線的平行度偏差。

（2）零件的幾何形狀偏差，定為第2 類偏差E2。如擺線針輪的線面輪廓度。

（3）零件的裝配位置偏差，定為第3 類偏差E3。如曲柄軸與行星齒輪嚙合定位偏差。

在RV 減速器裝配過程中3 種主要偏差源耦合作用下，影響RV 減速器的傳動精度。

3 偏差傳遞機理分析

3.1 偏差源有向圖表達

基于RV 減速器偏差源的分類方法，應用有向圖的理論推導出RV 減速器各個零部件3 類偏差源的有向圖，如圖2 所示，建立了4 種基本偏差流模型，gij為零件i上序號為j的功能幾何模型，dk為第1 類或第2 類偏差源模型[8-9]。第3 類偏差源E3，可以看作第1 類偏差的修正。

圖2 4 種偏差流Fig.2 Four deviation flows

3.2 配合關系

配合關系是 RV 減速器各個零件之間裝配的基礎，零部件之間的配合關系直接影響偏差的傳遞，即影響RV 減速器傳遞精度[10]。零部件間的配合有3 種類型。

（1）Mgg型配合幾何都為偏差幾何g，配合精度受3 類偏差源的共同作用。

（2）MDD型配合幾何都為基準幾何或理想幾何D，配合精度只受裝配位置偏差的作用。

（3）MgD型配合幾何一個為偏差幾何g，另一個為基準幾何或理想幾何D，配合精度受偏差幾何3 類偏差源的作用。

3.3 偏差傳遞方式

偏差在零件之間的傳遞通常基于兩種方式，其中零件間的配合又分為非間隙配合Mf和間隙配合Mj。

（1）非間隙配合時，前一零件g1的幾何偏差引起后裝配零件g2的位置變動；幾何偏差發生耦合，實現偏差的累積。

（2）間隙配合時，由于配合間隙的影響，g1零件偏差累積發生間斷；裝配精度受后一零件g2裝配位置偏差ΔT2的影響，重新開始傳遞。

3.4 配合關系及其有向圖的表達方式

Mgg型配合在非間隙配合Mf和間隙配合Mj狀態下的偏差有向圖如圖3 所示。

圖3 配合狀態Fig.3 Fit state

對于Mgg、MgD和MDD型3 種配合關系，假設MDD的基準幾何或者理想幾何只受裝配位置偏差的影響，在Mf和Mj配合狀態下的偏差傳遞統計量如表1所示。

表1 Mgg、MgD 和MDD 型在不同配合狀態時的配合偏差統計量Tab.1 Mating deviation statistics of Mgg，MgD and MDD in different mating states

3.5 偏差統計量

假設結合面上偏差矢量各個方向分量都服從正態分布。

線性部分

4 RV-40E 型減速器偏差傳遞分析

4.1 核心零件配合關系及其評價

RV 減速器零件之間裝配的基本環節是配合，因而零件與零件之間的配合關系直接影響著零件裝配時的偏差傳遞，零件間的配合精度直接影響著RV 減速器的裝配精度，對偏差傳遞和偏差累積分析起著重要作用。表2 為RV-40E 型減速器中核心零部件之間的配合關系、配合類型、配合狀態。表3 位RV-40E 型減速器核心零件各偏差源的偏差評價。

表2 RV-40E 核心零部件的配合機理Tab.2 Matching mechanism of RV-40E core components

4.2 整機偏差有向圖

基于偏差統一模型和件之間配合的關系、類型及狀態的偏差有向圖表達，研究RV-40E 型減速器裝配偏差有向圖的生成。其零件在裝配時偏差有向圖的構建過程如下。

（1）構建3 類偏差源的統一偏差模型，包括偏差域和偏差評價。

（2）分析裝配過程中零件與零件之間的配合信息，包括配合幾何、配合類型、配合狀態等。配合優先級。

在RV-40E 型減速器靜態裝配的狀態下對其零部件的偏差傳遞機理進行研究，基于RV-40E 型減速器核心零部件的配合分類表及配合面上偏差源在坐標軸線中6 個方向的評價表，引入并應用有向圖的方法來表達RV 減速器中的零件間偏差傳遞過程及各個零部件偏差之間的關系，建立RV-40E 型減速器傳動的偏差傳遞有向圖模型。對RV 減速器傳動精度影響的RV-40E 型減速器裝配偏差有向圖如圖4 所示。

圖4 RV-40E 型減速器整機偏差傳遞有向圖Fig.4 Deviation transmission directed diagram of RV-40E reducer

4.3 整機偏差統計量

基于配合相關偏差傳遞有向圖，可以計算配合偏差統計量模型，根據減速器核心零部件的統計量計算公式并分析RV-40E 型減速器中整機的裝配偏差有向圖的圖表，基于蒙特卡洛法應用MATLAB 軟件對RV-40E 型減速器的1 級系統、2 級系統及整機的裝配偏差統計量進行求解。

RV-40E 型減速器在靜態環境中，將減速器中各核心零件偏差源的偏差取值范圍帶入數學模型中，基于蒙特卡洛法，應用MATLAB 軟件對RV-40E 型減速器整機的裝配偏差統計量進行求解，可以得到由偏差累積引起的整機偏差傳遞偏差如圖5 所示。

圖5 RV-40 減速器整機偏差值范圍Fig.5 Deviation range of RV-40 reducer

基于RV-40E 型減速器在裝配中零件的偏差統計量模型，整機的偏差傳遞有向圖模型，以及蒙特卡洛的方法，將各零件的偏差源中偏差的取值范圍帶入模型中，利用MATLAB 軟件進行編程仿真得到RV-40E 型減速器中一級系統和二級系統所占的貢獻度，結果如表4 所示。

表4 RV-40E 型減速器中一級系統和二級系統的貢獻度Tab.4 Contribution of stage 1 system and stage 2 system in RV-40E reducer

基于蒙特卡洛法應用MATLAB 軟件對RV-40E 型減速器整機裝配偏差統計量進行求解，各個核心零部件偏差經過配合信息及傳遞機理得到的最終偏差值的絕對值在0.017′～0.957′變化范圍內，因而其整機的偏差傳遞結果在標準所允許的傳動誤差1′范圍內。由RV-40E 型減速器中一級系統和二級系統所占的貢獻度，可得出二級傳動偏差值對減速器偏差傳遞的影響較大。

5 結束語

（1）基于綜合影響RV 減速器傳動精度信息，對偏差傳遞進行分析。研究在零件配合、雙配合偏差傳遞分析的基礎上，建立裝配偏差有向圖模型，獲取RV減速器整機傳動中的偏差累積有向圖。

（2）在MATLAB 軟件中通過蒙特卡羅法算出RV 減速器整機裝配精度和一級、二級系統及整機的偏差值及其貢獻度，得出了影響整機裝配精度最大是第2 級擺線針輪傳動系統。因此在設計加工RV 減速器過程中要特別重視二級傳動部分的偏差因素，以提高其傳動精度。