大锥孔结构零件中锥孔在线测量方法研究

□ 陈宗瑞 □周 伟 □陈柏宇

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1 研究背景

随着国家风电政策调整,市场需求发生了巨大变化,未来,风电机组技术将向大功率和海上应用领域发展[1],4 MW～7 MW风电机组将成为主流机型[2]。根据主传动链的特点,风电机组可分为高速双馈风电机组、半直驱风电机组、低速永磁风电机组。其中，高速双馈风电机组占据大部分市场份额,是主流技术。高速双馈风电机组主传动链结构如图1所示，其中，AC/DC为输入交流电源转直流电源，DC/AC为直流电源转交流电源输出。

▲图1 高速双馈风电机组主传动链结构

齿轮箱作为高速双馈风电机组的核心部件[3],行业内多采用两级NGW行星轮系加一级平行轴结构[4]。行星齿轮结构如图2所示。通常将行星齿轮支承轴承通过过盈配合安装在行星齿轮内部,将行星齿轮内孔设计为支承轴承的轴承座。在实际使用中，行星齿轮受载后会发生倾斜、扭曲等多种形式的弹性变形,进而导致行星齿轮轴承外圈发生窜动、打滑,严重降低传动系统的承载能力,并会产生异常振动、齿轮间异常啮合，甚至会使轴承碎裂、轮齿断裂,从而降低传动系统的可靠性[5-6]。

▲图2 行星齿轮结构

随着风电机组功率的提高,工作载荷大幅增大,为了解决行星齿轮轴承外圈窜动问题,同时提高轴承的承载能力,减小齿轮箱径向尺寸，提高齿轮箱传递功率能力,多家公司采用无轴承外圈的行星齿轮与轴承集成设计方案,将行星齿轮内孔设计为锥孔，作为轴承外圈。为了更好地控制行星齿轮与轴承的工作状态,对行星齿轮轴承采用负游隙设计。无外圈圆锥轴承行星齿轮集成结构如图3所示。

▲图3 无外圈圆锥轴承行星齿轮集成结构

在现有技术中,对于小锥孔结构零件的磨削加工，一般选择塞规进行在线测量。通过目测塞规锥面的接触面积和塞规端面与工件端面的高度差，计算出加工余量,来保证锥孔的加工精度要求。但是，对于大锥孔结构的零件，上述常规塞规测量方法无法满足测量要求,主要原因是塞规由于自身重力在测量过程中会产生操作误差,影响实际测量结果。另一方面，通过目测判断，要求操作人员具备丰富的工作经验,生产效率较低。对此，笔者通过对行星齿轮锥孔在线测量技术进行研究,提出一种大锥孔结构零件在线磨削加工测量的新方法。

2 行星齿轮参数

以某大功率风电机组齿轮箱为例,行星齿轮精度等级为ISO 1328标准中的5级，主要参数见表1。

表1 行星齿轮主要参数

3 行星齿轮技术要求

行星齿轮采用18CrNiMo7-6低碳合金钢制造[7],齿轮齿面洛氏硬度(HRC)为58～62,齿轮芯部洛氏硬度(HRC)为30～45[8],齿面有效渗碳层深为3.5～4.0 mm[9]。行星齿轮内孔，即轴承滚道的洛氏硬度(HRC)为56～60,内孔表面最小有效硬化层深不小于3.0 mm,内孔圆锥角为34°±0.011°,内孔表面粗糙度Ra为0.3 μm[10],内孔圆度小于0.005 mm,内孔直线度小于0.004 mm,不允许有凹面。行星齿轮结构如图4所示。

▲图4 行星齿轮结构

4 测量工装

测量工装由圆柱塞规和大、小标准量球组成,如图5所示。为减轻圆柱塞规的重力，便于操作,圆柱塞规可设计为空心,外形尺寸与测量孔径尺寸相匹配,长度一般超出被测孔径端面10～100 mm。标准量球直径分别选取14 mm和18 mm。

▲图5 测量工装

5 测量方法

5.1 行星齿轮找正

将行星齿轮装夹在立式磨床工作台上,如图6所示。将百分表靠在内孔A上,通过旋转工作台来检验内孔A的轴线与工作台的垂直度。旋转工作台，百分表无变化，表示内孔A轴线与工作台垂直,此时完成行星齿轮的正确装夹。

▲图6 行星齿轮装夹

5.2 加工测量基准

用砂轮磨削锥孔B的端面，保证端面与工作台的平行度,并作为测量基准。

5.3 加工锥孔锥度

将砂轮架角度调整至17°后，开始对锥孔B进行磨削加工。如图7所示，待锥孔B表面加工完成后,将圆柱塞规放入内孔A内,并调整至合适位置，保证圆柱塞规与行星齿轮内孔A同轴。

5.4 在线测量锥度

沿圆柱塞规外圆轴向，在圆柱塞规与锥孔B之间放入大、小标准量球,分别测量小标准量球顶端与圆柱塞规上端面距离Hd、大标准量球顶端与圆柱塞规上端面距离HD，通过式(1)计算行星齿轮内孔圆锥角。

(1)

式中:α为1/4行星齿轮内孔圆锥角;D为大标准量球直径;d为小标准量球直径。

▲图7 锥角在线测量方法

5.5 复核大端直径

在锥度满足设计要求后,还需要校核锥孔的大端直径或锥孔深度是否满足设计要求。行星齿轮锥孔大端直径φ1为：

(2)

式中:φ2为圆柱塞规外径;h为圆柱塞规端面至行星齿轮端面的距离。

判断行星齿轮内孔锥度是否达到加工精度要求,需要在锥孔圆周至少测量四次。计算得到的锥角和大端直径均满足设计公差要求,才能证明加工的内孔锥角满足设计要求,进而完成行星齿轮内孔锥度的磨削加工和在线测量。

6 结束语

笔者对大锥孔结构零件中锥孔的在线测量方法进行了研究，介绍了大锥孔锥度和大端直径在线测量方法，操作方便，并且强度低。测量时，可以充分利用生产中现有的量具,不需要特殊定制。测量装置结构简单,可以避免特殊量具在组装过程中产生的误差。工件一次装夹即可加工到位,调试方便,节省了加工时间,并能保证锥孔的相关尺寸精度要求,具有较好的推广价值。