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辛绍杰 博士——油膜浮动均载的完全平衡两级三环减速器的研究 
来源:减速机信息网    时间:2007年7月21日14:42  责任编辑:wangtao   

1.3 行星传动的均载技术

行星齿轮传动之所以具有承载能力高、外廓尺寸小、重量轻先进许多优点并得以下不断发展,主要是由于它采用了“功率分流”式的结构形式,并且充分地利用了内啮合传动的优势。所谓“功率分流”,就是用几个完且相同的行星轮均匀地分布在太阳轮的周围,共同分担载荷。然而,使用经验证明,行星轮间的载荷分配是不均匀的。这是由于不可避免的制造和安装误差、载荷作用下各构件所产生的有害的弹性变形、惯性力和摩擦力等因素的影响造成的。这些因素的存在使得传运过程中行星轮间的载荷分配和沿啮合齿宽载荷分布的均匀传递动力的作用,即各个行星轮之间的载荷分配不均匀,这种现象严重影响着承损坏,从而缩短其使用寿命,严重时,会导致工作情况异常甚至出现事故。研究表明,齿轮的制造和安装误差对行星齿轮均载的影响较大,因此,行星轮之间的载荷均匀分配一直是国内外有关学者研究的一个重要课题。在设计行星齿轮传动时必须充分考虑行星轮间的载荷分配的不均匀性。

行星齿轮传动的均载方法及开发的典型均载装置如下:

1.提高制造精度,严格控制公差,保证行星轮间均载这是一种用高精度的齿轮和提高其它主要构件的精度来达到行星轮间载荷均匀分配的方法。制造和装配都比较困难,且成本高。实际应用时仅对那些不能疏忽的尺寸才用高精度加以控制。

2.“柔性浮动自位”保证行星轮间均载这是一种依靠浮动构件(基本构件的之一或之二)在各啮合处作用力作用下移动到它达到平衡的位置,从而实现行星轮间载荷均衡分配的目的。这种靠增加系统内的附加自由度来实现的均载,与系统的制造误差无关,均载效果好。国际上流行的德国的BHS均载机构和Renk均载机构以及捷克的SKODA 均载机构属于此类

3.调整行星轮位置保证行星轮间均载调整行星轮位置以实现行星轮间载荷均匀分配的方法有:

(1)用弹性件支承行星轮以调整行星轮位置这是一种在行星轮孔与行星轮轴之间或行星轮轴与行星轮轴孔之间放入弹性材料,在行星轮载荷的作用下,弹性材料会产生适当的变形,此变形使各行星轮承担其应有的一份载荷,从而使行星轮间载荷均匀分配得到保证。英国的C.O.G均载机构和德国的Voith 均载机构属于此种。

(2)用联动丝杠调整行星轮位置将行星轮安装在具有偏心的行星轮轴上,通过联动丝杠使行星轮位置可调,即均载是通过系统中附加的自由度来实现的。美国的SGP均载机构则具有代表性。

(3)用厚油膜弹性作用调整行星轮位置利用轴承的动压原理,使行星轮孔与自由中间轮间形成厚油膜实现行星轮浮动,其油膜厚度比普通滑动轴承的油膜厚度大两倍多,厚油膜的弹性功能对均载起重要作用,并可减振缓冲。日本的IMT均载机构便是其中的典型代表。

4.中心轮本身弹性变形保证行星轮间均载将太阳轮和内齿圈设计成在啮合力作用下能产生较大弹性变形的零件,靠其柔性使行星轮间载荷均匀分配。瑞士的Maag均载机构属于此种。

由上面的分析可看出,使各行星轮之间载荷分配均匀的方法,除了提高零、部件的制造、安装精度外,一般是采用均载机构。均载机构是在保证各零件有较高制造精度的同时,在设计上采用能够补偿制造和安装误差、使各行星轮均衡分担载荷的机构,是实现均载既简单又有效的途径。

目前,在行星传动中广泛采用的均载机构有弹性支撑均载机构和油膜浮动均载机构。均载机构设计的前提是根据误差分析确定装置基本构件的最大浮动量。

弹性件支撑均载机构简单实用,不仅作为减速器的均载装置,而且用于飞机、汽轮机等高速旋转的机械设备上时优势也十分突出。文献将弹性波纹均载环置于行星轮支撑轴或行星传动的输出轴或输入轴的轴承座孔和轴承外圈之间,利用零件受力时的弹性变形补偿制造和安装误差,实现了行星传动的均载和减振。文献提出了一种行星轮弹性均载机构可用于多行星齿轮传动,所做的六行星轮弹性均载环的载荷均载实验测得载荷分配不均匀系数为1.29。文献又提出了适用于多行星轮行星传动的等强度环均载机构,它是利用构件或油膜的弹性实现均载,由于均载的效果主要取决于弹性件或油膜的刚度,而过分降低刚度又受到强度的制约,采用等强度结构的弹性环可使均载机构在满足强度条件下获得最大的柔度,对改装后的六行星轮NGW92-8行星减速器的等强度环均载机构所做的实验测得等强度结构的弹性环均载机构的载荷分配不均匀系数为1.253,较文献中的等强度均载环的载荷分配不均匀系数1.29 要小,这说明等强度均载环的结构更为合理。该均载机构可用于载荷分配误差在±30%以内的各种工况。文献将太阳轮浮动与刚挂柔性内齿圈相结合的均载机构用于1000kw风机减速器,分析和均载测试结果表明,该结构能达到令人满意的均载效果,推广价值较高。

代表世界先进水平的油膜浮动均载装置以其结构紧凑、重量轻、成本低、安装方便、减振性能好、对选用的行星轮数目不限、高低速行星传动均可采用、工作平稳、均载效果好等一系列优点受到国内外许多生产厂家和研究机构的重视。这是一种日本高桥崇等人发明的并取得多国专利的均载装置,是利用厚油膜弹性作用使行星轮浮动实现均载的,国外许多厂家(如日本的东洋精机)已用此项发明生产了许多用于船舶蒸汽轮机、工业用齿轮减速器、甲板起重机减速器等装置。由于该专利的关键技术资料十分保密,这引起许多国家探索其奥秘的兴趣。这种均载方式是基于滑动轴承理论,在行星轮与行星轮轴承(或心轴)之间装入一中间环,该环与行星轮孔之间留有径向间隙并储有润滑油。当传动时,行星轮与中间环以同一方向、同一转速旋转,并承受方向相同的载荷,这个转动使它们之间形成了厚油膜实现行星轮浮动,厚油膜较普通滑动轴承的油膜厚度大的多。当行星轮间载荷分配不均衡时,径向力大时其油膜厚度相对最小,油楔夹角也随之减小,即各行星轮对心轴产生不等量的位移从而实现均载。其原理如图1-5所示。

在行星传动的各种制造误差中,行星轮的偏心误差和行星架的孔距误差对载荷均布的影响最大,由于油膜浮动均载方式可使行星轮实现各自的直接浮动,因而均载效果很好。此外,由于行星轮可以轴向窜动,因此,也补偿误差实现均载。

文献根据无限长动压滑动轴承的Reynolds方程,导出了行星齿轮厚油膜的设计计算式,并绘制出了有关的设计图线,使厚油膜均载的设计工作变的简单易行。文献在对行星轮浮动量和均载机构均载导纳分析的基础上,建立了油膜浮动均载机构的设计计算模型,设计的端面拔销式六行星轮油膜浮动均载机构的样机实验测得载荷不均匀系数为1.38,与理论计算较吻合。文献用有限差分法对有限长动压轴承的二维Reynolds方程进行了计算机辅助求解,得出了油膜压力分布、偏位角和偏心率的数值解,导出了油膜刚度表达式,给出了油膜刚度与外载荷、润滑油粘度、转速、宽径比以及半径间隙之间的关系曲线,以及选取最佳半径间隙和计算均载系数的方法,分析了行星传动油膜浮动的均载特性及应用条件。

由于受到油膜厚度的限制,油膜浮动均载方式只适用于传动的制造精度较高、误差较小的场合;如果误差过大,就不能通过油膜的弹性变形来补偿误差,实现均载。

1.4 齿轮传动与行星传动的动力学研究

齿轮传动在国民经济建设中起着举足轻重的作用,其性能的优劣,直接影响工业生产。随着科技的发展,高速、重载等各种工况的复杂齿轮传动越来越多地被用于各类传动中,也使得齿轮系统的振动问题日趋严重,甚至出现过较严重的毁机事故,振动在降低机器的承载能力和寿命的同时,还产生有害的噪声,危害环境。为了解决上述问题,人们对以齿轮系统振动和噪声特性为主要内容的齿轮动力学开展了广泛的研究工作,并取得了一系列成果,促进了这一领域的发展。

齿轮振动使得动载荷增大,甚至导致齿轮的损坏。齿轮传动中的动载问题一直是决定传动性能优劣的最重要因素。文献提出了传动系统的速度影响轮齿的瞬时动态载荷;文献的齿轮传动系统的动态载荷响应的计算也得出动态载荷取决于运动速度的结论;文献认为,轮齿啮合的接触点沿着渐开线齿廓移动,动态响应应该考虑为运动载荷位置和运动速度的函数。文献建立了可用来分析静态或动态直齿轮传动系统动载荷的数学模型,并指出轮齿啮合刚度极有可能是影响轮齿动态特性的关键因素。文献分析了传动系统的传动误差,考虑了啮合的弹性变形和啮合力,提出了一种预测振动响应的通用方法。文献对高精度直齿轮系统的动态性能进行了实验研究;文献分别计算了啮合轮齿的变形和应力;文献在考虑齿形误差和弹性变形引起的共扼接触点切向位置变化的影响后,导出了确定齿轮动载的方程;文献提出了影响齿轮动态载荷的因素,包括:轴的刚度和惯性力、周期性波动的载荷和动力源、轮齿的刚度和轮齿的误差等。文献指出,在传动系统的固有频率范围内,动态载荷随着输入转速的增加而增加,在超过系统的固有频率后,则随着输入转速的增加而急剧降低。齿轮系统动力学行为通常表现为扭转振动和弯曲振动的耦合。在研究齿轮系统的动力学问题时,人们多采用一维或二维模型的分析模型,即扭转振动和弯曲振动的动力学分析是分别进行的。文献建立了齿轮副模糊动态传递误差的概念,并求解了单自由度齿轮系统的扭转振动微分方程的模糊动态响应。文献建立了矿井提升机构齿轮传动系统的扭振模型,并分析了其扭振动态特性。由于齿轮的周向、径向和轴向三个方向的振动有相同的基频,且同时产生的三种振动又以周向振动即扭转振动更为突出,因此,齿轮动载问题主要是作为扭转振动的问题来研究的。这类扭转振动通常是由啮合齿轮副自身的因素引起的,如:齿轮的传递误差(包括制造误差、安装误差、轮齿间的间隙)和齿轮啮合刚度的变化。由于轴的扭转刚度远比齿轮的啮合刚度小,故齿轮系统扭转振动研究采用的是两个齿轮啮合的模型。文献则把齿轮系统中全部转动件(齿轮、圆盘等)都看作扭振惯量,而全部联接件(联轴器、轴等)都看作弹簧,构成一个全系统模型一多质量弹簧系统来分析和简化。在多级齿轮传动系统中,文献考虑前后几级传动齿轮的相互影响,导出了齿轮传动系统的扭转振动基本方程。文献对行星传动机构及轴系的扭振进行了研究。然而系统的动力传递是通过齿轮间的啮合来实现的,扭转振动和弯曲振动将发生耦合,这时就应采用三维模型来分析齿轮系统的动力学问题。文献通过试验观察到了弯曲振动与扭转振动的耦合。文献采用Holzer方法和Myklested-Prohl方法分别导出转子的扭转振动和弯曲振动的计算公式,然后用阻抗匹配的方法使两者耦合在一起得到了系统力耦合方程。文献在研究压缩机组中的齿轮传动系统时发现,测出的特征频率也只能由齿轮副的弯一扭耦合分析模型来验证。文献在处理类似的问题时也发现,不稳定的弯曲振动伴随扭转振动同时发生。文献研究了滑动轴承支承的船用齿轮系统在偏载情况下的不稳定运动,通过弯一扭耦合分析发现,轴系的扭转刚度对稳定性门槛值的影响很大。文献研究了由滚动轴承支承的一对齿轮啮合系统的弯一扭耦合振动,给出了系统在不考虑齿轮柔度时的三维振动方程及两轮齿保持接触时的耦合约束条件。文献给出了齿轮副弯曲耦合运动的约束条件,推导出了多根平行轴齿轮转子系统的弯曲耦合振动方程,以DHP45-1型压缩机中的多根平行轴齿轮转子系统为例,分析和计算了该系统的弯曲振动性能。

在研究齿轮转子系统变一扭耦合振动时所采用的计算方法有传递矩阵法和有限元法。传递矩阵法是分析系统动态特性的一种有效方法。但有限元法对系统的模态分析更有效。文献在给定支承刚度条件下,应用传递矩阵法分弯一扭耦合和无耦合两种情况分别计算了齿轮转子系统的自由振动和不平衡影响,并对两种情况下的系统固有频率及振型进行了比较。

三环减速器也存在着耦合振动,为此笔者在文献对三环减速器的弯扭耦合振动进行了研究。本文提出的油膜浮动均载的两级三环减速器自然也存在着耦合振动,由于均载油膜的油膜刚度及阻尼交叉项的影响弯曲振动互相影响,对其进行动力学研究有着十分重要的意义。

1.5 同步带传动技术

带传动是利用张紧在带轮上的挠性传动带,借助带和带轮间的摩擦(或啮合)来传递运动和动力的。带传动由于具有传动平稳、结构简单、造价低廉、不需润滑和能缓冲吸振等优点,在机械中被广泛应用。同步带传动,它靠同步带表面的齿和同步带轮的齿槽的啮合作用来传递运动,它可保证传动同步。由于同步带的抗拉强度高,受载后变形小,能保持齿的节距不变,所以传动比准确。它较链传动平稳、速度高、噪声小,且不需润滑,清洁、维护简单。它适用的速度范围宽,传动比可到10,传动功率由几十瓦到几百千瓦,结构紧凑,效率可高达98%-99%,张紧力和压轴力小。其缺点是制造和安装精度要求高。现已广泛用于要求传动比准确的中、小功率传递中。为了保证带和带轮能正确啮合、无相对滑动、传动比准确,抗拉层选用强度高、伸长率小的细钢丝绳和玻璃纤维绳等材料制成。近几年,为了提高同步带的传动能力,针对梯形齿廓齿根部分应力集中严重和传递载荷较大时带齿易被切断而研制出圆弧形齿廓的同步带,试验表明,圆弧形齿廓较梯形齿廓齿根应力集中情况大大改善,可以传递较大载荷。

新型平顶圆弧齿同步带传动,是哈工大带传动研究组开发研制的国内外较为先进的同步带传动,其各种性能指标相当于美国STPD型圆弧齿同步带。同步带传动的失效的主要形式是:带体断裂、带齿过度磨损、抗拉体伸长、带齿根部断裂、侧边磨损等。为了保证同步带足够的疲劳强度和使用寿命,许多专家学者开展了深入的研究工作。文献采用了数值齿廓法,根据啮合原理直接求出与之共轭的齿廓,精度高,且所导出的公式可用于各种齿廓的同步带,文献提出了一种新型圆弧齿同步带,这种经优化方法确定的齿形参数同现有的美国STPD型圆弧齿同步带相比,运动性能及带齿承载能力都有提高,文献对平顶圆弧齿同步带的强度和寿命进行了研究,文献利用平面弹性理论的周期问题的方法,以映射函数为工具,对平顶圆弧齿同步带弯曲应力进行了研究。

由上可看出,平顶圆弧齿同步带的理论分析、强度计算、带型和带轮及插齿刀齿廓设计、带和带轮的加工和试验技术均已完善。但是,尚未见到同步带用于三环减速器进行传动和均载的报道。

1.6 课题的来源、目的及意义

本课题源于国家自然科学基金资助项目“完全平衡、均载减振两级三环齿轮减速器的研究”,基金批准号:59575007。

课题研究的目的和意义如下:

三环式少齿差齿轮减速器是在普通行星减速器技术的基础上开发的一种新型传动装置。已被用于矿山、冶金、起重、运输、造船和建筑等许多领域。我国第一台三环齿轮减速器自问世以来,其发展速度明显加快,发展前景也十分广阔。三环传动之所以具有承载能力高、外廓尺寸小、重量轻等许多优点并得以不断发展,主要是由于它采用了“功率分流”式的结构形式,并且充分地利用了内啮合传动接触强度高的优点。此外,由于行星轮(环板)轴承位于齿轮的外部,其尺寸不受限制,故轴承寿命可大为提高。但由于不可避免的制造和安装误差、载荷作用下各零部件所产生的有害的弹性变形导致传动过程中各环板不能均匀受载,以及环板质量大、惯性力大,严重影响着三环传动优越性的发挥,并使减速器的使用寿命降低,严重时,会导致工作情况异常甚至出现事故,同时,在输出扭矩较大时,主动轮电动机也必须采用低速电机,从而增加了电机的成本,这些都严重影响三环减速器的推广应用。由于三环减速器的研究起步较晚,尽管国内重庆钢铁设计研究院、重庆大学机械传动国家重点实验室、哈尔滨工业大学、重庆专用机械制造公司、西北轻工业学院、北京航空航天大学、清华大学等众多高校和研究院所对其不同方面的问题进行了一些深入的理论研究和实验分析,取得了许多重大的成果燕得出了重要结论,指导着三环减速器的设计、应用和推广。然而,上面的研究均是以现有的机构为对象进行的,并且未考虑过油膜浮动作为均载机构的问题,使得工程中的许多重要的实际问题如惯性力矩使机构产生的冲击和振动等尚未得到有效地解决。针对目前三环减速器存在的问题,应用连杆机构平衡理论、同步带传动技术、动压油膜浮动均载原理和少齿差传动技术,设计和验证了一种新型的完全平衡均载减振的三环减速器,解决人了严重影响三环减速器推广应用中的重要问题,获得了减振、均载和惯性力完全平衡的效果,从而改善三环式减速器的动态性能,提高其承载能力,延长其使用寿命。

由此可看出,本课题是理论密切结合生产实际的产品研制,开展此项课题的研究,对于提高三环减速器产品的性能,推动我国三环传动向前发展具有重大的现实意义。

1.7 本文研究的主要内容

本文在对三环减速的动力学和均载减振的深放研究的基础上,结合生产中的实际问题,提出了一种完全平衡、均衡减振两级三环齿轮减速器的结构方案。如图1-6所示。

其工作原理为:小同步带轮12随原动机11作高速旋转,通过啮合,小带轮通过平顶圆弧齿型带9和13带动两个大带轮8和14旋转,实现一级减速和功率分流,两个大带轮分别带动三环减速器的双曲柄的同步输入,三环减速器的双曲柄的同步输入,三片传动环板3、4和6上的内齿圈与输出轴1上的外齿轮10相啮合,形成大传动比,实现二级减速及动力传递。三内齿环板中的两侧环板与中间环板相差180°,且两侧各环板厚度为中间环板的1/2,这样可保证运转时它们的惯性力理论上完全平衡。为克服双曲柄机构的死点,一级传动采用同步带传动,增加了一级带传动不仅可实现两个曲柄机构的同步输入,同时,由于同步齿形带是弹性元件,还可实现两曲柄轴载荷均载。三环减速器轮齿啮合的均载是采用在两曲柄轴偏心套外表面和转臂轴承内表面之间插入一个浮动圆筒16,在曲柄轴旋转时,偏心套和圆筒之间、圆筒和转臂轴承内表面之间均形成了动压油膜,厚油膜的弹性变形使得内齿环板浮动,补偿减速器的制造和安装误差以及传动时产生的零部件变形。样机的传动性能和振动性能以及均载试验证实,本文提出的完全平衡、均载减振两级三环齿轮减速器有着较好地力学性能,较现有三环减速器的振动要小、寿命要长。

作者在本文中将开展如下研究工作:

1.改进考虑环板拉压变形和高速轴弯曲变形的变形协调条件,对基本型三环减速器和两级三环齿轮减速器进行受力分析,找出结构设计对振动的影响规律。

2.分析误差对载荷分配的影响,计算所需的浮动量;研究三环传动油膜浮动均载机理;研究偏心轴转动和动载荷工况下三环传动油膜浮动的动力学,并计算油膜浮动时的承载能力。

3.研究新型两级三环减速器合理的结构方案,设计两级三环减速器样机。

4.研究油膜浮动两级三环减速器的减振机理;进行两级三环减速器的振动分析。

5.探讨两级三环减速器的工程应用。

6.对设计的油膜浮动均载的两级三环减速器样机进行传动性能振动性能和内齿环板载荷分配不均匀系数的试验研究。

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