XL400设备头架蜗轮严重磨损研究
2011-06-23黄应勇
黄应勇
（柳州职业技术学院，广西柳州545006）
某厂专用设备XL400经过多年的使用实践，发现头架传动机构上的阿基米德蜗杆传动副中的蜗轮（见图1）磨损较快，经过统计大约4个月就要维修更换。因为维修频繁，不但增加了维修费用，而且还大大影响了生产进度。
图1 蜗轮
蜗轮蜗杆传动副是设备的重要传动部件之一，它的动力特性对设备的使用性能及使用寿命有直接影响。为了全面了解该设备的蜗轮磨损情况，发现薄弱环节，提高耐用度、降低维修成本，提供必要的改进设计依据，有必要对该专用设备的蜗轮磨损进行研究。
本文利用蜗轮齿面的接触疲劳强度计算对蜗轮的磨损，做符合实际的预测分析，并提出改进措施，提高专用设备连续生产使用寿命及专用设备的设计水平。
1 蜗轮受力分析
1.1 XL 400设备头架传动机构原理
XL 400设备头架传动机构原理如图2所示。电动机经皮带轮传动机构2、3把运动传至Ⅰ轴，经两级蜗轮蜗杆4与5、6与7把运动传至Ⅱ轴，经两级齿轮副8与9、9与10传至执行机构。这样执行机构获得所需的旋转运动。其传动路线为：
图2 XL 400设备头架传动机构原理图
1.2 执行机构受力计算
该设备采用双硬质合金铣力盘，根据硬质合金周铣刀铣削力FZ的计算公式[1]：
其中，
αf为每齿进给量，根据执行机构实际转速为1 r/6 min与工作回转直径可取0.0537 mm/Z；
αp为吃刀深度，根据实际加工余量取25 mm；
αе为切削宽度，根据加工工件取38 mm；
Z为铣刀齿数，根据刀盘结构为15齿；
d0为铣刀盘直径，为750 mm。
计算得
总进给力
总进给转矩
1.3 蜗轮受力计算
据头架传动路线，齿轮8→齿轮9→齿轮10，蜗轮7实际输出扭矩为
2 蜗轮磨损分析
2.1 接触应力计算
蜗轮7的许用应力
[σ]H=180MPa
蜗轮7的实际应力计算[2]：
其中，
K为负载系数，取1.1；
m为蜗轮模数5 mm；
q为特征系数12；
Z7为蜗轮齿数37；
ZE为材料系数，为155。
因为σH＜［σ］H，相差不大，所以基本达到设计要求。
2.2 蜗轮磨损分析
通过以上计算可知：蜗轮表面实际应力小于许用应力，但是很接近，表面上看设计没有问题。然后检查蜗轮蜗杆的润滑状况，润滑条件良好。再检查机构的负荷状况，经过仔细观察设备上铣刀盘上的刀片，发现铣刀盘上的刀片不同程度上存在磨损，甚至有些严重磨损，无形中造成蜗轮7实际接触应力远远大于许用应力，最终引起蜗轮过早磨损。
因此，原设计方案处于一种不可靠状态，一但负荷增大，就会引起薄弱环节蜗轮的严重磨损。
3 解决措施
3.1 改进设计方案
用直廓环面蜗杆传动替代阿基米德蜗杆传动，为了应用原来箱体结构，还要维持原传动比，直廓环面蜗杆传动的中心距与原来一样。根据传动比37、中心距122.5mm、蜗杆转速8.2r/min，查机械设计手册[3]，得
蜗杆额定输入功率为0.3 kW，由公式
计算得蜗轮输出扭矩为10341 N·m，此值远远大于阿基米德蜗杆传动的输出扭矩261 N·m。在实际应用过程中，此蜗轮并没有承受这样大的扭矩，所以蜗轮不容易磨损。这样加强了薄弱环节，使传动链的设计趋于合理。
3.2 应用效果
经过设计直廓环面蜗杆传动及加工制造、安装调试，替代了阿基米德蜗杆传动，并经过将近一年的实践，没有出现异常现象。与阿基米德蜗杆传动相比，这样的改进是合理的、成功的。
因为直廓环面蜗杆传动是多齿接触和双接触线接触，因此扩大了接触面积，改善了油膜形成条件，增大了齿面间的相对曲率半径等，这就是提高承载能力的原因所在。
4 结束语
本文主要研究XL 400设备头架传动机构的蜗轮磨损过快的原因，并用直廓环面蜗杆传动替代阿基米德蜗杆传动，最终提高蜗轮的使用寿命，解决了蜗轮磨损过快的问题，满足生产的需要。
对于设备操作人员要求，应提高其操作技能，勤于检查刀片磨损状况，及时更换已到磨钝标准的刀片，防止传动机构超负荷运行。
对于专用设备设计人员要求，应认真核算传动机构强度要求，设计时强度要留有余地，防止发生意外情况。
[1]华南工学院.金属切削原理及刀具手册[K].上海：上海科学技术出版社，1980.
[2]许镇宇.机械零件[M].北京：人民教育出版社，1981.
[3]闻邦椿.机械设计手册[K].北京：机械工业出版社，2010.
