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超長過盈聯(lián)接齒輪裝配方法探究

2019-01-21

 張萍

　　超長過盈聯(lián)接通常是指配合長度超過1000mm的過盈聯(lián)接。隨著科學技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，工業(yè)企業(yè)向著環(huán)境美好型、資源節(jié)約型、節(jié)能增效型、超大型及重型化發(fā)展，各行業(yè)普遍使用的齒輪傳動也在向大型、重型化發(fā)展。目前，企業(yè)對大型、超大型齒輪箱的需求增加，其傳動零件齒輪、齒輪軸也向高精度、大規(guī)格發(fā)展。特別是軋機用主減速器，因其較大的轉(zhuǎn)矩和功率，隨著減速器規(guī)格的大型化，其輸出大齒輪的過盈量和配合長度也相應增加，有些過盈配合長度已超過1000mm，屬于超長過盈聯(lián)接件。
　　1　傳統(tǒng)過盈聯(lián)接齒輪與齒輪軸裝配
　　過盈聯(lián)接齒輪與齒輪軸裝配時通常采用加熱裝配的方法，加熱方法分為火焰加熱、感應線圈加熱及整體加熱等。由于火焰加熱和感應線圈加熱僅是對內(nèi)孔部位進行加熱，熱傳導快但加熱不均勻，適用于小型零件裝配；大中型齒輪裝配均采用整體加熱方法。加熱溫度及加熱保溫時間確定如下。
　　1.1　確定加熱溫度
　　加熱溫度

　　式中：T為被加熱工件所需的加熱溫度，℃；Δs為工件配合處公稱尺寸的過盈量Z大值，mm；Δe為熱裝時所需的必要裝配間隙量，mm；t為室溫，℃；α為工件的線膨脹系數(shù)，1/℃。
　　1.2　確定加熱保溫時間
　　加熱保溫時間

　　式中：τ為加熱或保溫時間，min；K為裝爐系數(shù)，K取1（加熱、保溫）；α為加熱或保溫系數(shù)，加熱時α取1.0~1.1min/mm，保溫時α取0.5~0.6min/mm（燃氣爐、合金鋼）；D為工件等效截面，mm。

　　2　超長過盈聯(lián)接齒輪與齒輪軸裝配難點
　　以某大型軋機滲碳淬火硬齒面主減速器輸出大齒輪裝配為實例，配合部位公差φ850H7/s6，配合長度1245mm，Z大過盈量為0.486mm。大齒輪與齒輪軸簡圖分別如圖1、2所示。

圖1　大齒輪

圖2　齒輪軸

　　如按傳統(tǒng)裝配方法熱裝該超長聯(lián)接齒輪軸組，可能會存在如下問題。
　?。?）大齒輪外形尺寸較大，通常采用整體加熱的方法進行裝配。采用前述式（1）、（2）保守計算加熱溫度超200℃，加熱、保溫時間各54h。加熱溫度已經(jīng)超過Z低回火溫度160℃，而且較長的加熱、保溫時間會導致齒面退火，降低齒面強度，導致整機性能下降。
　?。?）降低大齒輪加熱溫度，縮短加熱、保溫時間，大齒輪內(nèi)孔脹量減少，會使裝配時大齒輪與齒輪軸無間隙或間隙過小，導致無法裝配或裝配困難。
　?。?）選擇加熱溫度接近回火溫度時，如果加熱過程控制不到位，個別時段也會出現(xiàn)溫度超過回火溫度繼而影響齒面強度，或溫度低于加熱溫度導致大齒輪內(nèi)孔脹量不夠的情況。
　?。?）低于回火溫度的加熱溫度和較短的加熱保溫時間，大齒輪是否能夠達到計算的脹大尺寸，是裝配成功的關(guān)鍵，該數(shù)值在裝配前如何測量校驗？
　　（5）較小的裝配間隙條件下如何實現(xiàn)大齒輪和齒輪軸的超長可靠裝配。
　　（6）大齒輪加熱后裝配時間過長，會出現(xiàn)大齒輪脹量減少、齒輪軸導熱脹大等問題，將造成大齒輪與齒輪軸無間隙或過小間隙裝配，導致裝配中途卡死。
　?。?）由于較大的過盈量及較長的配合長度，裝配完畢后的冷卻過程中會產(chǎn)生較大的收縮縫隙，導致大齒輪的裝配精度降低。

　　3　超長過盈聯(lián)接齒輪與齒輪軸裝配方案
　　在低于回火溫度的加熱溫度和較短加熱、保溫時間條件下，如何精準控制加熱溫度、準確校核內(nèi)孔脹量、實現(xiàn)小間隙超長配合長度的可靠裝配？經(jīng)過充分的計算和論證，確定了適合超長過盈聯(lián)接齒輪與齒輪軸裝配方案。
　?。?）通過低于回火溫度10℃的加熱溫度進行反推計算，用低于回火溫度的加熱溫度加熱大齒輪后，大齒輪與齒輪軸裝配時能實現(xiàn)的間隙量約為0.73mm。
　?。?）考慮到大齒輪為焊接結(jié)構(gòu)，中間焊接腹板形成多個空腔，熱傳導均勻，較易加熱脹開的特點，計算加熱、保溫時間時，忽略腹板部位厚度，工件有效截面僅按齒圈及輪轂部位厚度計算，取值約為常規(guī)算法的1/4，在其他參數(shù)選取不變的情況下，加熱、保溫時間縮短為僅有傳統(tǒng)時間的1/4。
　　（3）大齒輪在加熱爐加熱時，使用熱電偶監(jiān)控加熱溫度，內(nèi)孔、外圓90°間隔各放置4個熱電偶（內(nèi)孔外圓電偶位置錯開約45°），熱電偶與電子監(jiān)控器連接，加熱過程中隨時觀察大齒輪各部分溫升情況，必要時通過調(diào)整加熱口的火力來控制大齒輪的加熱溫度，避免加熱溫度超過回火溫度，或加熱溫度過低導致大齒輪內(nèi)孔脹量達不到要求。
　　（4）加熱溫度低及加熱、保溫時間短，大齒輪加熱后內(nèi)孔尺寸脹量小，準確校驗大齒輪內(nèi)孔是否達到必要的脹量是裝配的關(guān)鍵。大齒輪內(nèi)孔尺寸通常用內(nèi)徑千分尺精準測量，但由于加熱后的大齒輪溫度較高，不宜使用內(nèi)徑千分尺，故采用T型量棒校驗大齒輪內(nèi)孔尺寸。質(zhì)檢人員熱裝前用外徑千分尺校對T型量棒，校對值即為大齒輪加熱脹大后內(nèi)孔的計算值。采用T型量棒校驗大齒輪加熱后的脹量，保證熱裝的可靠實施。
　　T型量棒校對尺寸

　　式中：D1為熱裝配合軸徑實際尺寸；Δe為熱裝時所需的必要裝配間隙量，實際取0.73mm。
　?。?）在加熱爐旁放置等高方箱及等高墊鐵，根據(jù)大齒輪尺寸調(diào)整好方箱及等高墊鐵的位置，長平尺平放于兩方箱等高墊鐵上，用測微準直儀測量、找正等高墊鐵水平，確保各等高墊鐵上平面的平面度及等高誤差小于0.05mm左右；以調(diào)整好的等高墊鐵端面為基準，用1000mm直角尺檢查齒輪軸垂直度，確保齒輪軸軸線與大齒輪端面垂直，避免小間隙條件下因大齒輪端面與齒輪軸軸線不垂直導致的裝配卡死。
　　方箱、墊鐵和軸提前找正，T型量棒提前校驗至校對尺寸D；2臺天車配合，一臺提前起吊找正好的齒輪軸，另一臺起吊加熱的大齒輪；加熱完成后，2位穿好熱裝防護服的鉗工同時操作，一位在熱裝爐前等待用T型量棒校驗大齒輪內(nèi)孔脹量，另一位在方箱上等待指揮熱裝。盡可能縮短熱裝輔助時間，避免裝配中途卡死。
　?。?）為了消除大齒輪冷卻過程中產(chǎn)生的收縮縫隙，根據(jù)大齒輪及齒輪軸裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計熱裝壓緊裝置，在大齒輪冷卻過程中不斷地把緊螺栓，根據(jù)工藝給定值控制擰緊力矩，以消除冷縮縫隙，提高裝配精度。熱裝壓緊裝置如圖3所示。

圖3　熱裝壓緊裝置

　　4　效果
　　超長過盈聯(lián)接大齒輪與齒輪軸裝配方案的實施，降低了熱裝溫度，大大縮短了加熱、保溫時間，提高了工效；針對性地解決了該裝配過程中的難題；經(jīng)質(zhì)檢部門檢驗裝配質(zhì)量，完全滿足圖紙要求。該減速器有2件輸出大齒輪，另一件也按照上述方案實施，經(jīng)質(zhì)檢部門檢驗同樣完全滿足圖紙要求。熱裝如圖4所示。

1.起吊工具；2.熱裝壓緊裝置；3.大齒輪；4，5.等高方箱；6.齒輪軸
圖4　熱裝示意

　　5　結(jié)語
　　超長過盈聯(lián)接大齒輪與齒輪軸裝配與傳統(tǒng)裝配方法相比，有以下幾方面的改進。
　　（1）加熱溫度低于回火溫度，加熱、保溫時間顯著縮短，在很大程度上降低了熱裝對大齒輪性能的不良影響；熱電偶對加熱過程的監(jiān)控，確保大齒輪加熱溫度可控及受熱均勻；采用T型量棒測量校驗大齒輪內(nèi)孔脹量，準確度高，易操作，可靠性強。
　?。?）等高墊鐵和齒輪軸熱裝前的找正，控制齒輪軸的軸線與大齒輪端面垂直度，確保小間隙裝配的有效實施。
　?。?）使用熱裝壓緊裝置后，熱裝配合端面貼合緊密無縫隙，確保大齒輪具備較高的裝配質(zhì)量。
　　（4）2臺天車配合，鉗工多工位集體協(xié)同作業(yè)，縮短了熱裝過程的輔助時間。
　　裝配實例證明，超長過盈聯(lián)接大齒輪與齒輪軸裝配流程科學、合理，可操作性強，完全滿足了圖紙要求，可為類似軸類零件的熱裝提供借鑒，具有一定的推廣價值。

　　引文格式：
　　[1]張萍.超長過盈聯(lián)接齒輪裝配方法探究[J].礦山機械，2018，46(10):61-64.

來源：《礦山機械雜志》