槽式翻抛机RV 减速器传动偏差理论分析

2023-05-10王飞跃郭宪峰曹哲统冷治涛刘利君

农业工程 2023年1期

王飞跃，王飞，郭宪峰，曹哲统，丁旻，冷治涛，刘利君

（1.中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083；2.正大汉鼎现代农业科技有限公司，北京 100020）

0 引言

RV 减速机是在摆线针轮传动基础上创新发展起来的一种新型传动[1]。由一个行星齿轮和一个摆线针轮前后二级组合而成。RV 减速器在农业精密装置、军工航天、搬运装置等领域有着广泛的应用[2-3]。随着新农村经济结构的调整，集约化、规模化、现代化使得农村中小型畜禽养殖业得到迅猛的发展[4]。然而，目前我国各类畜禽养殖场所产生的粪便、污水大部分乃至90%以上都随意排放或露天堆沤，造成了十分严重的环境污染问题，因此，工厂化的规模堆肥势在必行。堆肥的核心设备槽式翻抛机用于有机废弃物好氧发酵过程中的物料翻抛，以达到物料充氧及移动的目的。研究人员对RV 减速器传动精度进行了大量深入的研究，但对减速器零件偏置传递方面的研究仍存在不足[5-6]。针对这个问题，对翻抛机RV 减速器的传动系统进行深入的研究与分析，特别是影响装配精度偏差源信息和相关的关键技术问题，对促进RV 减速器的研究、开发、生产和应用，以及有机肥产业的发展具有重要的工程现实意义。

1 RV 减速器传动特性研究

1.1 内部构造

RV 减速器由2 个传动系统组成，RV-40E 型减速器2 级核心零部件按照传动链顺序层次展开如图1 所示。其中第1 减速部分为正齿轮减速机构即输入轴的旋转从输入齿轮传递到直齿轮，按齿数比进行减速；第2 减速部分为差动齿轮减速机构即直齿轮与曲柄轴相连接，变为第2 减速部的输入。

图1 RV-40E 型减速器传动链零件Fig.1 RV-40E reducer transmission chain parts

1.2 传动原理

把针齿壳固定好，太阳齿轮和输入轴相啮合连接，中心齿轮带动3 个呈120°布置的行星齿轮转动，3 个行星齿轮绕中心齿轮轴心公转的同时并与公转相逆的方向自转，3 个行星齿轮带动相应的曲柄轴同速转动，曲柄轴和两片相位差180°的摆线针轮铰接并带动其转动，摆线针轮在转动过程中与固定的针轮相啮合，其轴线绕针轮轴线公转的同时，还将反方向自转。输出机构将把摆线针轮上的自转矢量以一定的速比传递出来。

2 RV 减速器偏差源分析

在 RV 减速器传动过程中，偏差的主要来源分为零件尺寸及形位的加工偏差、零部件装配顺序和装配定位偏差。为了便于分析偏差源的传递，在RV 减速器静态下，研究影响传动精度的偏差[7-8]。偏差源可以分为3 类。

（1）零件的几何位置偏差，定为第1 类偏差E1。如RV 减速器中的输入轴轴线与曲柄轴轴线的平行度偏差。

（2）零件的几何形状偏差，定为第2 类偏差E2。如摆线针轮的线面轮廓度。

（3）零件的装配位置偏差，定为第3 类偏差E3。如曲柄轴与行星齿轮啮合定位偏差。

在RV 减速器装配过程中3 种主要偏差源耦合作用下，影响RV 减速器的传动精度。

3 偏差传递机理分析

3.1 偏差源有向图表达

基于RV 减速器偏差源的分类方法，应用有向图的理论推导出RV 减速器各个零部件3 类偏差源的有向图，如图2 所示，建立了4 种基本偏差流模型，gij为零件i上序号为j的功能几何模型，dk为第1 类或第2 类偏差源模型[8-9]。第3 类偏差源E3，可以看作第1 类偏差的修正。

图2 4 种偏差流Fig.2 Four deviation flows

3.2 配合关系

配合关系是 RV 减速器各个零件之间装配的基础，零部件之间的配合关系直接影响偏差的传递，即影响RV 减速器传递精度[10]。零部件间的配合有3 种类型。

（1）Mgg型配合几何都为偏差几何g，配合精度受3 类偏差源的共同作用。

（2）MDD型配合几何都为基准几何或理想几何D，配合精度只受装配位置偏差的作用。

（3）MgD型配合几何一个为偏差几何g，另一个为基准几何或理想几何D，配合精度受偏差几何3 类偏差源的作用。

3.3 偏差传递方式

偏差在零件之间的传递通常基于两种方式，其中零件间的配合又分为非间隙配合Mf和间隙配合Mj。

（1）非间隙配合时，前一零件g1的几何偏差引起后装配零件g2的位置变动；几何偏差发生耦合，实现偏差的累积。

（2）间隙配合时，由于配合间隙的影响，g1零件偏差累积发生间断；装配精度受后一零件g2装配位置偏差ΔT2的影响，重新开始传递。

3.4 配合关系及其有向图的表达方式

Mgg型配合在非间隙配合Mf和间隙配合Mj状态下的偏差有向图如图3 所示。

图3 配合状态Fig.3 Fit state

对于Mgg、MgD和MDD型3 种配合关系，假设MDD的基准几何或者理想几何只受装配位置偏差的影响，在Mf和Mj配合状态下的偏差传递统计量如表1所示。

表1 Mgg、MgD 和MDD 型在不同配合状态时的配合偏差统计量Tab.1 Mating deviation statistics of Mgg，MgD and MDD in different mating states

3.5 偏差统计量

假设结合面上偏差矢量各个方向分量都服从正态分布。

线性部分

4 RV-40E 型减速器偏差传递分析

4.1 核心零件配合关系及其评价

RV 减速器零件之间装配的基本环节是配合，因而零件与零件之间的配合关系直接影响着零件装配时的偏差传递，零件间的配合精度直接影响着RV 减速器的装配精度，对偏差传递和偏差累积分析起着重要作用。表2 为RV-40E 型减速器中核心零部件之间的配合关系、配合类型、配合状态。表3 位RV-40E 型减速器核心零件各偏差源的偏差评价。

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

4.2 整机偏差有向图

基于偏差统一模型和件之间配合的关系、类型及状态的偏差有向图表达，研究RV-40E 型减速器装配偏差有向图的生成。其零件在装配时偏差有向图的构建过程如下。

（1）构建3 类偏差源的统一偏差模型，包括偏差域和偏差评价。

（2）分析装配过程中零件与零件之间的配合信息，包括配合几何、配合类型、配合状态等。配合优先级。

在RV-40E 型减速器静态装配的状态下对其零部件的偏差传递机理进行研究，基于RV-40E 型减速器核心零部件的配合分类表及配合面上偏差源在坐标轴线中6 个方向的评价表，引入并应用有向图的方法来表达RV 减速器中的零件间偏差传递过程及各个零部件偏差之间的关系，建立RV-40E 型减速器传动的偏差传递有向图模型。对RV 减速器传动精度影响的RV-40E 型减速器装配偏差有向图如图4 所示。

图4 RV-40E 型减速器整机偏差传递有向图Fig.4 Deviation transmission directed diagram of RV-40E reducer

4.3 整机偏差统计量

基于配合相关偏差传递有向图，可以计算配合偏差统计量模型，根据减速器核心零部件的统计量计算公式并分析RV-40E 型减速器中整机的装配偏差有向图的图表，基于蒙特卡洛法应用MATLAB 软件对RV-40E 型减速器的1 级系统、2 级系统及整机的装配偏差统计量进行求解。

RV-40E 型减速器在静态环境中，将减速器中各核心零件偏差源的偏差取值范围带入数学模型中，基于蒙特卡洛法，应用MATLAB 软件对RV-40E 型减速器整机的装配偏差统计量进行求解，可以得到由偏差累积引起的整机偏差传递偏差如图5 所示。

图5 RV-40 减速器整机偏差值范围Fig.5 Deviation range of RV-40 reducer

基于RV-40E 型减速器在装配中零件的偏差统计量模型，整机的偏差传递有向图模型，以及蒙特卡洛的方法，将各零件的偏差源中偏差的取值范围带入模型中，利用MATLAB 软件进行编程仿真得到RV-40E 型减速器中一级系统和二级系统所占的贡献度，结果如表4 所示。

表4 RV-40E 型减速器中一级系统和二级系统的贡献度Tab.4 Contribution of stage 1 system and stage 2 system in RV-40E reducer

基于蒙特卡洛法应用MATLAB 软件对RV-40E 型减速器整机装配偏差统计量进行求解，各个核心零部件偏差经过配合信息及传递机理得到的最终偏差值的绝对值在0.017′～0.957′变化范围内，因而其整机的偏差传递结果在标准所允许的传动误差1′范围内。由RV-40E 型减速器中一级系统和二级系统所占的贡献度，可得出二级传动偏差值对减速器偏差传递的影响较大。