（机械工程专业论文）大型行星齿轮箱设计与制造的关键技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文通过对大型行星齿轮箱设计与制造的几个关键技术问题的研究，将其引入到我 国大型重载行星齿轮传动装置的开发中，使行星齿轮箱增加承载能力，提高效率、降低 振动和噪音，满足高速化、大型化的需要，并在此基础上形成系列化产品，促进我国行 星齿轮传动技术跃上一个新的台阶。本文主要完成了以下工作： 首先从探讨大型辊压机用行星齿轮箱、大型矿井提升机用行星齿轮箱以及水电用重 载行星齿轮增速器等三种大型行星齿轮箱产品的开发意义入手，提出了设计和制造中需 要解决的几个关键技术问题。 其次针对设计中的几个关键技术问题进行了研究，主要有：结构型式、功率分流技 术、均载方法、润滑和冷却方式等内容，同时，将取得的研究成果总结推广，形成大型 化系列化的重载行星齿轮箱产品。 然后重点论述了提高重载行星齿轮传动的工作性能的技术措施，主要研究了齿轮精 度的选择、齿轮硬度和材料的选用、常用齿轮材料的热处理硬度规范以及主要参数确定 过程等内容。 s 同时针对制造中的几个关键技术问题进行了研究，重点对c n c 成形磨齿技术在大 型重载行星齿轮箱的制造技术中的应用进行了探讨，特别研究了制造工艺规范和典型齿 轮零件的加工工艺方案及磨削实践。 最后列举了几个开发研制的大型重载行星齿轮箱的应用，分别是典型水泥磨用大型 辊压机行星齿轮箱，大型矿井提升机用行星齿轮箱以及典型水电用重载行星齿轮增速 器，并对产品在工厂试验和用户现场使用中体现出的良好情况进行了分析。 同时，本文的研究也为将来我国进一步开发研制新型行星齿轮箱，提供了有益的经 、 验。 关键词：行星齿轮箱关键技术c n c 成形磨齿机磨削 工艺 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e so fd e s i g na n d m a n u f a c t u r i n go fah e a v yp l a n e tg e a rb o x t h et e c h n o l o g yi su s e df o rap l a n e t g e a rd r i v i n g u n i ti nd o m e s t i ch e a v yl o a d i n d u s t r y b ya d o p t i n gt h ek e y t e c h n o l o g y ，ap l a n e tg e a rb o xc a nn o to n l yo b t a i nt h eh i g h e rl o a d i n ga b i l i t ya n d e f f i c i e n c y ，b u ta l s od e c r e a s ev i b r a t i o na n dn o i s e a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e r p u t st o w a r ds o m em a c h i n i n ge x p e r i e n c ef r o mas i n g l ep a r tb u tm a n yc o p i e s ，s o a st om e e tt h er e q u i r e m e n to fh i g hs p e e da n dl a r g es c a l e ，f u r t h e rt or i s ed o m e s t i c p l a n e td r i v i n gu n i tt e c h n o l o g yt oah i g h e rs t e p t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri s a sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h ep a p e rp o i n t so u to faf e wk e yt e c h n i c a li s s u e sf o rd e s i g na n d m a n u f a c t u r i n gt ot h r e ek i n d so fl a r g ep l a n e tg e a rb o x t h e ya l ef o rt h el a r g e r o l l e rp r e s s g e a rb o x ，t h el a r g es c a l em i n i n gh o i s tg e a rb o xa n dt h ew a t e rp o w e r s t a t i o ng e a rb o x a n d ，t h ep a p e rp r o b e st h ed e s i g no fp l a n e tg e a rd r i v eu n i to fh e a v yl o a d i n d u s t r y ，s u c ha ss t r u c t u r ep a t t e r n ，p o w e rf l o w ，s m o o t hl o a d ，l u b r i c a t i n ga n d c o o l i n ge t c t h er e s e a r c hr e s u l tc a nb ec a r r i e do u tf o rt h es e r i e sp r o d u c to ft h e l a r g eh e a v yp l a n e tg e a rb o x t e c h n i c a lm e t h o d so fi m p r o v i n gt h el o a d i n ga b i l i t yi sa l s od i s c u s s e d ，f o r e x a m d l et h ec h o i c eo fg e a ra c c u r a c y ，t h eh a r d n e s sa n d m a t e r i a lf o rg e a r ，t h eh e a t t f e a 娃n e 珏tp r i n c i p l eo fc o m m o ng e a rm a t e r i a la n d t h em a i np a r a m e t e ra s s u 珊c e m e a n w h i l et h ep a p c rs t u d i e st h ea p p l i c a t i o no fc n cg e a r f o r m g r i n d i n g t e e l l n 0 1 0 9 ) ，f o rh e a v yl o a dp l a n e tg e a rd r i v e u n i t f i r s t l yi tt e l l sa b o u tt h 。瑚m c o n t e n l so ft h em a n u f a c t u r et e c h n o l o g yf o rp l a n e tg e a rd r i v eu n i t ，a n dt h e n i t d i s c u s s e sa b o u tt h eg r i n d i n gp r o c e s st e c h n o l o g y o fh a r d s u r f a c eg 。孤，i t s u m m a r i z e st h em a n u f a c t u r ep r o c e s sa n dt y p i c a lp a r t s m a c h i n i n gp r o c e 5 s ， s e v e r a la c t u a le x a m p l e sa r ep r e s e n t e df o rp l a n e t g e a rb o xb yu s i n gc n c g e a rf o n l l g “n d i n g ，w h i c ha r ef o rl a r g e r o l l e rp r e s s ，l a r g e 。s c a l em i n i n gh o i s ta n d w a t e rp o w e rg c a t i o n ，a n a l y s i so f p l a n e tg e a rb o x sa c t u a lw o r k i n g c o n d i t i o ni sa s w e l la sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r f i n a l l y ，t h ep a p e rp r o v i d e st h eu s e f u li n f o r m a t i o n f o rt h ef u t u r eg e n e a t l o n p l a n e tg e a rb o x k e yw o r d s ：ap l a n e tg e a rb o x ，k e yt e c h n o l o g y ，t e c h n i c a l p r o c e s 8 ， c n c g e a rf o r m - g r i n d i n g m a c h i n e ，g r i n d i n g 一 _ 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中己标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：考孽群 1 日期： 2 6 年，月2 中日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：专嘧拜 指导教师签名： 秒l 生车 日期： 工u p 6 年f 矿月 2 牛日日期：多。年，口月三牟日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 绪论 1 1 1 课题的提出 由于通过行星传动可以把能量由一根主动轴传给若干根从动轴，因此渐开线行星齿 轮传动与普通定轴齿轮传动相比，具有承载力大、体积小、效率高、重量轻、传动比大、 噪声小、可靠性高、寿命长、便于维修等优点。 我所在的中信重型机械公司齿轮箱厂一直以来都是我国大型重载工业用行星齿轮 箱的研究、设计、制造、加工、生产基地，作为知名品牌和优质产品，它覆盖了冶金、 矿山、水泥建材、火力发电、水电风电开发、化工，轻工环保等多个重要领域。 随着中国国民经济的迅猛发展以及进入w t o 后世界市场的广泛开放，对行星齿轮 传动装置有了更为广泛地需求，对产品质量提出了更高的要求，例如行星齿轮箱的大型 化、高速化、提高单位重量的承载能力，改善传动性能、降低振动和噪音、产品的高精 度和低成本等一系列问题。 解决这些问题和难点需要全方位、多角度、综合性的措施和办法，例如创新设计思 想、运用先进的加工手段、提高齿轮零部件的质量水平等。我个人认为，在设计和制造 方面，有几个关键技术问题必须研究，其中主要包括功率分流技术、均载型式、润滑和 冷却方式、齿轮精度的选择、齿轮参数的优化确定等必要的技术措施，以及应用目前世 界最先迸的c n c 成形磨齿技术磨削内齿轮等方面，从而提高行星齿轮产品的设计标准 和制造精度。 基于上述原因，本课题选定“大型行星齿轮箱设计与制造的关键技术研究”作为研 究方向。 1 1 2 课题研究的意义 通过对大型行星齿轮箱设计与制造的几个关键技术问题的研究，将其引入到我国大 型重载工业用行星齿轮传动装置的开发中，综合运用强力磨削、成形磨齿、齿轮修缘、 华中科技大学硕士学位论文 内齿轮成形磨削等工艺方法，制订设计技术要求，确定主要工艺参数，同时研究总结单 件小批产品在c n c 成形磨齿工艺过程中的加工经验。 通过提高行星轮、太阳轮、内齿轮的齿轮加工精度，提高齿轮疲劳强度、弯曲强度， 使大型重载工业用行星齿轮箱增加承载能力，提高效率、降低振动和噪音，满足高速化、 大型化的需要，在此基础上形成系列化产品，促进我国行星齿轮传动技术跃上一个新的 台阶。 1 2 文献综述 1 2 1 行星齿轮传动技术的发展简史 我国早在南北朝时代( 公元4 2 9 5 0 0 年) ，祖冲之发明了有行星齿轮的差动式指 南车，因此我国行星齿轮传动的应用比欧美各国早1 3 0 0 多年。 1 8 8 0 年德国第一个行星齿轮传动装置的专利出现了。1 9 2 0 年首次成批制造出行星 齿轮传动装置，并首先用作汽车的差速器。二次世界大战后，高速大功率船舰、透平发 电机组、透平压缩机组、航空发动机及工程机械的发展，促进了行星齿轮传动的发展。 高速大功率行星齿轮传动广泛的实际应用，于1 9 5 1 年首先在德国获得成功，此后 普遍应用。英国a l l e n 齿轮公司生产的压缩机用行星减速器，功率2 5 7 4 0 k w ；德国r e n k 公司生产的船用行星减速器，功率11 0 3 0 k w 。 低速重载行星减速器已由系列产品发展到生产特殊用途产品，如法国c i t r o e n 生产 用于水泥磨、榨糖机、矿山设备的行星减速器，重量达1 2 5 t ，输出转矩3 9 0 0 k n m ； 德国r e n k 公司生产矿井提升机的行星减速器，功率1 6 0 0 k w ，i = 1 3 ，输出转矩3 5 0 k n m ；日本宇都兴产公司生产了一台3 2 0 0 k w ，i = 7 2 0 4 8 0 ，输出转矩2 1 0 0 k n m 的 行星减速器。 我国从2 0 世纪6 0 年代起开始研制应用行星齿轮减速器，2 0 世纪7 0 年代制订了 n g w 型渐开线行星齿轮减速器标准系列j b l 7 9 9 1 9 7 6 。一些专业定点厂已成批生产了 n g w 型标准系列产品，使用效果很好。低速大转矩的行星减速器也己批量生产，如矿 井提升机的x l 3 0 型行星减速器( 8 0 0 k w ) ，双滚筒采煤机之行星齿轮减速器( 3 7 5 k w ) 。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 成形磨齿技术的发展 虽然成形磨齿是一个传统的磨齿方法，但由于过去分度精度和速度、砂轮整形精度 和速度及磨齿效率等都低，一直很少采用。近年来c n c 技术和c b n 成形砂轮成功地用 于成形磨齿工艺，使得现代成形磨齿机以其高精度、高效率、高可靠性，受到了广泛的 注目，因此，此类c n c 成形磨齿机在国外已经开始广泛应用，成形磨齿技术也将成为 未来硬齿面齿轮加工领域的主导技术，已有取代传统展成磨削磨齿机的趋势。 1 2 3 行星齿轮传动技术的现状与发展趋势 世界各先进工业国的行星齿轮传动在设计上日趋完善，制造技术不断进步，使行星 齿轮传动已达到了较高水平。我国与世界先进水平虽存在明显差距，但随着改革开放带 来设备引进、技术引进，在消化吸收国外先进技术方面取得长足的进步，取得了一系列 可喜成果。 其中，特别是在内齿轮的内滚齿加工方面，华中科技大学的刘延林教授无论在内齿 轮滚齿的理论研究、内齿轮滚刀的设计，还是内滚齿的实际应用等方面，都走在世界的 最前列【1 1 1 2 1 | 3 1 。 目前行星齿轮传动正向以下几个方向发展： 1 ) 向高速大功率及低速大转矩的方向发展。例如年产3 0 0 k t 合成氨透平压缩机的 行星齿轮增速器，其齿轮圆周速度己达1 5 0 m s ；日本生产了巨型船舰推进系统用的行 星齿轮箱，功率为2 2 0 6 5 k w ；大型水泥磨中所用8 0 1 2 5 型行星齿轮箱，输出转矩高达 4 1 5 0k n m 。在这类产品的设计与常4 造中需要继续解决均载、平衡、密封、润滑、零 件材料与热处理及高效率、长寿命、可靠性等一系列设计制造技术问题。 2 ) 向复合式行星齿轮传动发展。近年来，国外将蜗杆传动、螺旋齿轮传动、圆锥 齿轮传动与行星齿轮传动组合使用，构成复合式行星齿轮箱。如制碱工业澄清桶用蜗杆 蜗轮行星齿轮减速器，总传动比i = 4 4 6 2 5 ，输出轴n = 0 2 1 5 r m i n ，输出转矩2 7 2 0 0 n 恤。 3 ) 制造技术的发展方向。采用新型优质钢材，经热处理获得高硬齿面( 内齿轮离 子渗氮，外齿轮渗碳淬火) ，精密加工以获高齿轮精度及低粗糙度( 内齿轮经内滚齿或 插齿、磨齿达4 - 6 级精度，外齿轮经磨齿达3 - 5 级精度，粗糙度r a 0 2 0 。4um ) ，从而 华中科技大学硕士学位论文 提高承载能力，保证可靠性和使用寿命1 4 j 。 1 2 4 目前行星齿轮传动技术中存在的问题 在我国由于传统磨齿加工方法是采用锥面砂轮、碟型砂轮或大平面砂轮的展成磨 削，磨齿机的加工精度和加工效率较低，行星齿轮箱中关键零部件如行星轮、太阳轮的 精度不高，一般只能达到6 级( g b l 0 0 9 5 8 8 ) ，而内齿轮的加工更是受到插齿机行程、 精度和刀具的限制，分度圆直径q 5 0 0 r n m ，齿宽_ 3 1 5 m m ，精度夕级，热处理硬度 h b _ 3 0 2 。因此，大型工业用行星齿轮箱的研制开发曾一度陷入徘徊状况，已投入使用 的最大传递功率2 0 0 0 2 5 0 0 k w ，输出扭矩1 2 0 0k n m ，重量野0 吨。这样就形成了有 大功率行星齿轮箱的国家标准，( 如z z 行星齿轮减速器j b t 9 0 4 3 2 1 9 9 9 、z k 行星 齿轮减速器j b t 9 0 4 3 ，1 1 9 9 9 、z j 建材行业管磨机行星齿轮减速器饵厂r 7 6 8 l 一1 9 9 5 ) ， 却无实际产品的尴尬局面，许多大功率行星齿轮箱仍然需要大量进口。 现在，伴随c n c 成形磨齿机和c n c 成形磨齿技术的应用，我国不但可以迅速提高 大型重载行星齿轮传动产品的研制开发能力，而且能使得行星齿轮产品的应用水平跃上 一个新的高度。 c n c 成形磨齿技术在我国应用刚刚起步，特别是在大型重载行星齿轮箱方面还处 于摸索经验、总结提高阶段，国内没有成熟的技术借鉴，国外的相关资料也不够多。因 此，c n c 成形磨齿技术的应用研究就有着十分现实的意义。 1 3 本论文的主要研究工作 本论文主要研究内容如下： l 、查阅国内外相关的文献资料，了解当前大型工业用行星齿轮箱的研制开发领域 和c n c 成形磨齿技术领域的发展状况与趋势。 2 、研究三种大型行星齿轮箱和需要解决的关键技术问题，探讨三种大型行星齿轮 箱产品开发的意义，提出设计制造中的关键技术问题。 3 、对三种大型重载行星齿轮箱的有关设计技术进行研究，主要有：大型辊压机用 行星齿轮箱的设计、矿井提升机用大型行星齿轮箱的设计、水电用重载行星齿 4 华中科技大学硕士学位论文 轮增速器的设计等内容，针对设计制造中的关键技术问题进行研究，同时，对 取得的成果在同类产品中总结推广，形成系列化。 4 、重点论述提高重载行星齿轮传动工作性能的技术措施，主要研究齿轮精度的选 择、齿轮硬度和材料的选用、常用齿轮材料的热处理硬度规范以及主要参数确 定过程等内容。 5 、研究c n c 成形磨齿技术在大型重载工业行星齿轮传动装置的制造中的应用。 首先简要介绍c n c 成形磨齿机的工作原理和功能，然后概述行星传动制造技 术的主要容，并就齿轮磨齿工艺技术进行探讨，特别研究制造工艺规范和典型 零部件加工工艺方案及磨削实践。 6 、列举几个开发研制的大型重载行星齿轮箱的应用，分别是典型水泥磨用大型辊 压机行星齿轮箱，矿井提升机用大型行星齿轮箱以及典型水电用重载行星齿轮 增速器，并对产品在工厂试验和用户现场使用中体现出的良好情况进行了分析， 为将来开发研制新型行星齿轮箱，积累了宝贵的经验。 华中科技大学硕士学位论文 2 、三种大型重载行星齿轮箱的几个关键技术问题 我所在的中信重型机械公司齿轮箱厂一直以来都是我国大型重载工业用行星齿轮 箱的研究、设计、制造、加工、生产基地，作为知名品牌和优质产品，它覆盖了冶金、 矿山、水泥建材、火力发电、水电风电开发、化工、轻工环保等多个重要领域。 随着中国国民经济的迅猛发展以及进入w t o 后世界市场的广泛开放，对行星齿轮 传动装置有了更为广泛地需求，对产品质量提出了更高的要求，例如行星齿轮箱的大型 化、高速化，改善传动能力、降低振动和噪音、产品的高精度和低成本等一系列问题。 以下就是本文研究的三种大型行星齿轮箱和需要解决的关键技术问题： 2 1 大型辊压机用行星齿轮箱 2 1 1 产品开发的意义 辊压机由两个相向且同步转动 的挤压辊组成，一个为固定辊，一 个为活动辊。物料从两辊上方给入， 被挤压辊连续地带入辊间，受到高 压作用后，变成密实的料饼从机下 排出。排出的料饼，除含有一定比 例的细料外，在非产品颗粒的内部， t零弋撅 弋水7 _ _ 一 p m x u 目 图2 - 1 辊压机粉碎原理 产生大量的裂纹，在进一步粉磨过程中，可以较大 的降低粉磨能耗( 如图2 - 1 ) ，具有显著的节能( 2 0 5 0 ) 和增产( 3 0 1 0 0 ) 效 果，而且噪音小、金属耗量低，被公认国际上最先进的粉磨设备。主要应用于日产 5 0 0 0 1 0 0 0 0 吨大型水泥生产线的水泥熟料的辊压粉磨，也可以应用于有色和黑色金属矿 6 华中科技大学硕士学住论文 矗啼 23毒5 1 液压系统2 润滑系统3 进料装置4 挤压辊装配 5 机架装配 6 行星齿轮箱7 扭力支承 图2 2 辊压机整体布置图( 落地式传动) ( 辊径m l m ) 山、煤炭、化工等行业对脆性物料的粉磨。 其中，配备的大型行星齿轮箱是辊压机的核心部件，每套辊压机配置两台行星齿轮 箱，主要驱动两个挤压辊转动( 辊压机整体布置图见图2 2 ) 。齿轮箱传递的功率大、承 受的冲击负荷高，而且结构要求非常紧凑，这些都对行星齿轮箱提出了很高的要求。过 去，这类齿轮箱的设计制造技术被国外厂商封锁，国内不能制造，进口产品价格昂贵， 7 华中科技大学硕士学位论文 一定程度上阻碍了大型辊压机在我国的应用和推广。 但目前中信重型机械公司已打破垄断，独立开发出此类产品。早期开发的行星齿轮 箱，行星轮、太阳轮的精加工采用展成磨削，齿轮精度等级为最高6 级( g b l 0 0 9 5 8 8 ) ， 内齿圈用插齿机, 0 h t ，齿轮精度等级最高为7 级( g b l 0 0 9 5 8 8 ) ，传递功率不大，总体 性能还不是特别令人满意。现在，日产5 0 0 0 1 0 0 0 0 吨大型水泥生产线是我国重点支持 的产业，这就需要大力开发大型辊压机用行星齿轮箱( 大型辊压机主要技术参数见表 2 1 ) 。 表2 1 大型辊压机主要技术规格 辊压机型号辊子规格( m m )额定扭矩( n m )电机转速( r p m ) 减速比 r p l 0 0 0 0士】0 0 0 - 3 0 0 4 4 8 4 31 1 5 04 0 2 2 r p l o o 4 0m1 0 0 0 4 0 06 6 7 8 6 1 1 5 0 3 9 4 2 r p l o o - 6 3中1 0 0 0 6 3 01 3 2 0 0 01 1 5 04 0 4 6 r p l 2 0 8 0 中1 2 0 0 8 0 02 3 2 2 9 71 4 8 07 2 r p l 7 0 1 1 0由1 7 0 0 1 1 0 04 8 1 3 2 0 1 0 0 0 5 6 2 1 2 设计制造中的关键技术问题 l 、 结构设计。由于减速器成对安装于辊压机固定辊和活动辊上，且同侧布置， 外形尺寸受辊压机中心距的限制，重量由输出转架作用于辊压机轴头上，因 此要求减速器结构紧凑，重量轻，齿轮轴承强度高，运转平稳，安全可靠。这就 要求行星齿轮减速器必须采用科学合理的分流技术、均载技术，提高承载 能力。 2 、出轴联轴器：辊压机减速器有一对辊子，固定辊和活动辊，在运转过程中， 固定辊的轴线固定，活动辊频繁移动，以完成受料和粉碎工作。因此行星 减速器出轴需通过缩套联轴器与辊子的入轴直接连接，以实现减速器随同 活动辊一同移动。 3 、使用系数k a 的合理选取。k a 选取过大，则偏于保守，行星减速器的体积 8 华中科技大学硕士学位论文 和重量增大，经济性差；k a 选取过小，则过于冒险，可靠性、安全性能降 低。 4 、行星轮、太阳轮、内齿轮的材料选用，热处理方式以及齿轮精度、工艺措 施和加工方法，以保证齿轮的承载能力。 2 2 矿井提升机用大型行星齿轮箱 矿井提升机是我国煤炭、有色、冶金等矿山资源和能源开采的重要设备，代表着一 个国家的装备技术水平。由于行星齿轮减速器具有体积小、重量轻、传递效率高、振动 小、工作平稳、噪声小、便于安装和维护使用等优点，提升机上也广泛使用。配套使用 的大型行星齿轮箱，具有载荷大、启动频繁、制动力矩大和要求双向工作等特点，对产 品的安全性能要求极为严格，在设计、选型、制造和维护方面历来都受到各方面重视。 2 2 1 产品开发的意义 国内提升机经过 3 0 多年的研究开发，提 升机的单机功率越来 越大，而减速器在传递 相同功率条件下，重量 和体积越来越小，传动 效率越来越高，结构越 来越紧凑。按照目前的 1 提升机主轴装置2 齿轮联轴器3 彳亍星齿轮减速器4 棒销联捌 器5 吨机6 机架i7 机架i i 图2 - 3 矿井提升机整体布置图 技术能力及水平，采用行星齿轮减速器已是现代提升机的标志之一。特别是近几年来， 提升机单机装机容量有不断加大趋势，已突破1 0 0 0 k w ，最大的已达3 6 0 0 k w 。矿井提升 机整体布置图见图2 - 3 。 矿井提升机主要技术规格见表2 2 。 9 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 2 矿井提升机主要技术规格 传递扭矩( k n m )， 提升机型号虽大静张力差( t )减速比 一。一 。 工作尖峰 j k _ 3 ，2 01 3 2 02 2 3 93 6 9 5 j k - 3 也0 a ， j k 3 11 5 1 1 5 2 j k 0 1 1 5 a 1 1 52 2 3 93 6 9 3 2 j k 3 5 2 0 2 0 2 ( 5 1 5 6 5 0 ) 0 2 2 1 2 5 o 1 4 因此可以初取下列齿宽( 有效工作齿宽) ： 低速级b 2 = 8 5 0 x 0 2 2 1 9 0 ( n 珊) 高速级b l = 6 5 0 x 0 1 4 9 0 ( 咖) ( 5 ) 中心距初选值 低速级中心距a 2 1 6 华中科技大学硕士学位论文 垆南如：o 3 0 4 8 5 0 = 2 5 8 ( 一) 低速级中心距a l a l4 确d 3 1 = 0 2 9 1 x 6 5 0 = 1 8 9 ( 咖) ( 6 ) 模数 低速级模数m 2 妒( 0 2 5 0 3 1 ) 字口： = r 0 | 2 5 o 3 1 ) x o 1 1 5 2 5 8 = 7 4 9 2 ( m m ) 高速级模数i t i l ( 0 2 5 - 0 3 1 ) 等q = f o l 2 5 o 3 1 ) 0 1 0 1 1 8 9 = 4 8 5 9 ( n u n ) 在普通情况下，齿轮模数可按上述范围取值，如低速级、高速级分别取8 m m 、5 m m 。 辊压机属于物料碾磨设备，工作过程中随时可能出现短时过载，因此对该类设备中的齿 轮装置宜适当改善抗冲击能力，适当增大齿轮模数是措施之一。 在此取稍有加大的模数：m 2 = 1 0r a i n ，m l = 6m i l l ( 7 ) 参数方案 1 ) 传动比的确定 低速级： 2b 2 = d 3 2 i ，m 2 = 8 5 0 1 0 = 8 5 za 2 = 2 b g ( i2 - - 1 ) = 8 5 ( 5 6 1 ) = 1 8 ( 2b 2 - - 2 啦) 1 1 _ p = ( 8 5 + 1 8 ) 3 23 4 3 取 2b 2 + 2a 2 = 3 5 3 = 1 0 5 za 2 = ( 2 b 2 + 2 啦) 5 6 = 1 0 5 5 6 1 9 1 7 华中科技大学硕士学位论文 2b 2 = 1 0 5 1 9 = 8 6 i2 = 2 2 za 2 + 1 = 8 6 1 9 + 1 = 5 5 2 6 高速级： i l = i i2 = 4 0 5 5 2 6 7 2 4 zb l 2 d 3 1 m l = 6 5 0 6 1 0 8 za 1=2b l ( il 1 ) = 1 0 8 ( 7 2 4 1 ) 1 7 ( zb l + z 。1 ) np = ( 1 0 8 + 17 ) 3 = 4 1 7 试取zb l + za 1 = 4 2 3 = 1 2 6 za l 2 ( 2b l + za i ) i1 = 1 2 6 7 2 4 1 7 2b 1 = 1 2 6 1 7 = 1 0 9 实际总传动比i = ( 8 6 1 9 + 1 ) ( 1 0 9 1 7 + 1 ) = 4 0 9 6 传动比误差ai ，i 。= ( 4 0 9 6 4 0 ) 4 0 = 2 4 传动比误差不超过3 ，此种使用场合可以接受。 如果考虑内齿圈避免使用大于1 0 0 的质数齿，可以选用下列方案： 2b l = 1 0 6 ，za 1 = 1 7 ( i i 。 o 1 ，d3 2 d3 1 = 1 3 5 ) 或者2b l = 1 1 1 ， z 。i = 1 8( i i 。 1 ，d3 2 d3 i = 1 2 9 ) 具体采用哪种方案，根据强度校核后的调整情况及结构布置或依据经验酌情选择。 至此齿轮参数的大局方案己定，可进行进一步的计算。 以下只列举低速级的计算梗概( 级别脚注省略) ，高速级从略。 2 ) 行星轮的齿数确定 zg = ( 2 b - - za ) 2 一( 0 2 ) = ( 8 6 1 9 ) 2 一( o 2 ) = 3 3 3 2 取zg = 3 3 ( 希望内啮合负变位取较少齿数，反之取较多齿数) 3 ) 变位系数及中心距的确定 初选变位系数( 根据预期目的或其它规范) ： x a = 0 6 zd 1 2 0 = 0 6 1 9 1 2 0 0 4 4 】8 2 i n v ( 2 0 。) + 2 x 0 7 7 x t a n ( 2 0 。) ( 1 9 + 3 3 ) = 0 0 2 5 6 8 q a - g 2 3 8 1 。 中心距计算： a20 5m ( z a+2 g ) c o s q c o s o 鸭 2 0 5 1 0 ( 1 9 + 3 3 ) c o s ( 2 0 。) c o s ( 2 3 8 1 。) = 2 6 7 0 5 ( m m ) 取a = 2 6 7 m 变位系数的选择： c o soa 喀。0 5m ( z a 十2g ) c o sa a 。0 5 i o x ( 1 9 + 3 3 ) c o s ( 2 0 。) 2 6 7 = 0 9 1 5 0 6 一 oa 噜= 2 3 7 8 6 3 。 x a + ) ( g = 0 5 ( za 十zg ) ( i n vq 嘴一i n v d ) t a n q 5 0 5 x ( 1 9 + 3 3 ) x 【i n v ( 2 3 7 8 6 3 。) 一i l l v ( 2 0 。) 】t a n ( 2 0 。) = 0 7 6 5 2 9 ) ( g5 ( 7 2 - - 3 3 ) x 0 7 6 5 2 9 1 4 4 - - ( 1 9 + 3 3 ) = 0 3 2 4 4 2 取x g = o 3 2 4 4 2 ，x a = o 7 6 5 2 9 一o 3 2 4 4 2 = o 4 4 0 8 7 c o s og - b 20 5m ( z b 一2g ) c o s a a 2 o 5 ( 8 6 3 3 ) c o s ( 2 0 。) 2 6 7 = 0 9 3 2 5 6 og - b = 2 11 4 7 7 。 x b x g = 0 5 ( zh zg ) ( j n v ng b 一i n va ) t a na 一。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 = o 5 x ( 8 6 3 3 ) 【i n v ( 2 1 1 4 7 7 。) 一i n h 2 0 。) 】t a n ( 2 0 。) = 0 2 0 5 5 5 x b = ( x b x g ) + x g = 0 2 0 5 5 5 + 0 3 2 4 4 2 = 0 5 2 9 9 7 即太阳轮、行星轮、内齿圈变位系数分别为：x 。= 0 4 4 0 8 7 、) ( g = o 3 2 4 4 2 、x b 0 5 2 9 9 7 ： 安装中心距为：a = 2 6 7 衄。 ( 8 ) 齿轮选材 太阳轮、行星轮的有效截面为2 0 0 衄左右，选用材料2 0 c r n i z m o 。以0 3 0 衄左右的 工艺试棒检验芯部硬度应为3 3 h r c 。 内齿圈的有效截面尺寸在1 0 0 2 0 0 栅之间，选用性能较高的调质钢，4 0 c r n i 2 m o 。 ( 9 ) 润滑油的选用 对两级传动行星减速器，选用润滑油时，主要根据低速级的齿轮工作负荷和速度情 况；高速级的情况作为参考。 本例中低速级的齿轮啮合速度为： v2 d3 2n l 1 9 1 0 0io = 8 6 0 x 1 1 5 0 ( 1 9 1 0 0 x 4 0 ) = 1 2 9 ( m s ) 高速级的齿轮啮合速度为： v l d3 ln l 1 9 1 0 0i1 = 6 5 0 ) 1 1 5 0 ( 1 9 1 0 0 7 2 4 ) = 5 4 1 ( m s ) 对行星减速器润滑油粘度可大致按下式选用： 。一! q q = 墨q q ( c s t ) 。4 0 _ s t v 式中v 一齿轮啮合速度，m s 对两级传动近似按v = ( v2 2 v 1 ) ；对三级 传动近似按v = ( v3 v2 ) 1 璧 本例中v “2m s ，1 74 0 3 5 0 5 6 0e s t 。通常可选用l - - c k c 4 6 0 或性能类 似的润滑油。 ( 1 0 ) 齿轮其它几何参数及强度校核( 略) 华中科技大学硕士学位论文 3 2 、矿井提升机用大型行星齿轮箱的设计 以具体型号z z p l 2 5 0 ( 2 ) 为例，详细进行阐述。其具体技术参数是：配套提升机 规格2 瞅- 4 ，1 1 5 ，工作扭矩5 6 1 9 0 0 n m ，尖峰扭矩9 2 7 0 0 0 n m ，减速比1 1 5 ，模数1 4 ， 齿宽1 4 5 m m 。 3 2 1 设计制造中的关键技术问题研究 1 在传动结构形式上满足多种速比的要求。 当传动比7 1 i 1 6 时，由于行星传动的单级速比尽量不小于4 ，因此设 计时采用派生的z z d p 型行星齿轮传动型式，其低速级为三个行星齿轮传动， 高速级为平行轴圆柱齿轮传动。见图3 - 2 a 。而当传动比1 8 i 4 0 时，则可以 采用z z l 型行星齿轮传动型式，高、低速级均为三个行星齿轮传动的行星齿轮 减速器。见图3 2 b 。这样就满足了矿井提升机多种速比的要求。 2 采用科学合理的分流技术、均载技术，提高承载能力。 采用三个行星轮分流技术。运动是由电动机经过棒销联轴器与高速轴相联 接，经一级平行轴传动，再经鼓形齿联轴器传递至太阳轮，传动行星轮，由行 星轮与固定的内齿轮相啮合，行星轮则在自转的同时又要沿内齿轮转动形成公 转，行星轮的公转就导致从动件行星架作低速转动，达到减速的要求。传动实 际为一个单级平行轴与一个单级行星传动的串联，完成减速和动力的传递，传 给输出轴。以太阳轮这一基本构件作为浮动件，结构简单，容易实现。 3 机体为模块式结构，可以任意组合成多种装配型式，最大限度地减少零件数目， 便于专业化生产。 4 。齿轮的材料均为优质合金钢，其中行星轮、太阳轮采用2 0 c r n i 2 m o a 渗碳淬火， c h i c 成形磨齿加工，精度5 级，内齿轮采用4 2 c r m o 调质，c n c 成形磨内齿 加工，精度6 级，外齿轮的齿形、齿向采用修形技术。齿面硬度：太阳轮、行 星轮5 7 6 1 h r c ；内齿圈2 6 2 2 9 3 h b s ( 插齿加工) ，2 7 0 3 3 0 h b s 或更高( 成 形磨内齿加工1 。 2 1 华中科技大学硕士学位论文 图3 2 a 矿井提升机用大型行 星齿轮箱典型结构z z d p 型 3 2 2 总结推广 图3 2 b 矿井提升机用丈型 行星齿轮箱典型结构z z l 型 以此为基础，我们运用c n c 成形磨齿技术对齿轮箱进行了升级换代，配套的主机 为规格在j k - 3 2 0 以上的矿井提升机，可提供的行星齿轮箱的型号为z z l i o o o z z p l 2 5 0 ( 2 ) 及以上规格，最大额定扭矩可达5 6 1 9 0 0 n m ，完全可以和国外产品抗衡。具体规格见 表3 - 2 。 表3 - 2 矿井提升机用大型行星齿轮箱技术规格 最大静张传递扭矩( t m )减速器最 提升机型号传动比行星齿轮箱型号 力差( t ) 工作尖峰 大重量( t ) j k 3 彪01 3 2 0 z z l l 0 0 0 ( 2 ) 2 2 3 93 6 9 59 7 3 2 j k - 3 2 0 a j l ( - 3 1 1 1 5 1 1 5 2 】k - 3 1 1 5 a 1 1 5 x p i o o o ( 2 ) 2 2 3 93 6 9 3l o t 0 1 3 2 j k 3 5 伽 2 0 2 j k - 3 5 2 0 a 华中科技大学硕士学位论文 续表3 2 3 3 水电用重载行星齿轮增速器的设计 以具体型号z z d t 9 0 0 a 的行星齿轮增速器为例，详细进行阐述。其具体技术参数是 输入功率p = 2 7 3 3 k w ，输入转速n l = 7 5 0 r p m ，总传动比i = 4 5 5 2 ，级数= 1 。 3 3 1 设计制造中的关键技术问题研究 1 、总体结构：行星齿轮增速器采用单级水平式行星结构，功率3 分流形式， 即一个太阳轮同时与3 个行星轮啮合。采用太阳轮浮动方式均载，均载效 果良好。输入、输出轴在同一轴线上，即中心传动结构。设计参数采取优 化设计，充分发挥齿轮效能。结构紧凑，体积小，重量轻。增速器结构 见图3 3 。 2 、提高齿轮等零部件的精度。按啮合速度选用齿轮精度时，增速传动的精度 要求略高于减速传动；或在齿轮精度一定时，增速传动的许用工作速度低 于减速传动。一般应将许用工作速度较减速传动降低2 0 3 0 后使用。 行星轮、太阳轮精度不低于5 级，内齿轮精度不低于6 级。这样不但可以 减少增速传动的内部动载荷，而且降低了振动和噪声。 3 、良好的润滑和冷却条件。因为行星齿轮增速器在传递相同的功率下增速传 动的机械损耗大于减速传动，随着增速比的加大机械效率降低，所以，必 须采用强制冷却措施，配备大流量稀油润滑站，增大冷却面积，例如润滑 油水冷、强制风冷、油池设置热交换器等。同时，在润滑油的选用上，考 簪_ ；一 再鬲广一i 一 重型型 露一 一一 丽一 善回 华中科技大学硕士学位论文 虑到重载、高速的实际工况，润滑油采用l c k c 3 2 0 中极压工业齿轮油， 这样既可以在较高运行温度时齿轮表面的动压油膜不会被破坏，提高承载 能力，而且能够降低增速器的振动和噪声。 考虑飞逸对齿轮箱的影响。因为要经受工作转速2 倍以上的“飞逸”考验 ( 如发电机突然掉电时) ，或者较大的突加制动力矩( 如发电机出现短路时) 等，因此，内部结构方面要考虑对“失速”、冲击的适应能力。一方面内部 浮动件数量尽可能减少，采用了太阳轮浮动的均载方式，另一方面，在滚 动轴承的选用时，充分考虑极限转速时轴承使用寿命。 优化齿轮参数。传动增速比控制在3 1 5 6 3 之间；齿宽系数：齿宽与中心 距之比 由。= 0 5 0 7 ，齿圈宽径比m ，_ b d 3 = 0 1 5 o 2 5 ；一般采用 变位传动，外啮合总变位系数为o 3 0 8 ，太阳轮的变位系数 k = o 7 5 一告0 2 、行星轮的变位系数b 2 0 6 一孟o 2 5 。 合理选用齿轮的材料、热处理方式以及工艺措施和加工方法，以保证齿轮 的承载能力。l 、齿轮的材料：内齿轮采用我公司自炼钢种4 0 c r n i 2 m o a 优 质中碳合金钢，行星齿轮、太阳轮采用我公司自炼钢种2