包络环面蜗杆传动的技术现状及进展.doc

包络环面蜗杆传动的技术现状及进展包络环面蜗杆传动的技术现状及进展 2010年09月11日 北京首钢机电有限公司机械厂 张建刚 王建军 姜来德 摘要： 本文叙述了包络环面蜗杆传动的种类特征及平面二次包络蜗杆传动在我国的诞生，以及包络环面蜗杆传动的技术现状。理论研究的成果进展情况及研究展望。 1包络环面蜗杆副的种类及特征目前，我国生产的包络环面蜗杆副主要有以下几种：平面一次包络环面蜗杆副；平面二次包络环面蜗杆副；锥面二次包络环面蜗杆副等。以直齿或斜齿平面蜗轮为产形轮而展成包络环面蜗杆称为平面包络环面蜗杆, 这些特定齿面的蜗轮可以和它们各自的包络环面蜗杆组成蜗杆传动，称为平面一次包络环面蜗杆传动。其中直齿平面蜗杆传动是由美国格里森公司wildharber于1922 年发明的，用于大传动比场合；斜齿平面蜗杆传动是由日本左藤于1952年发明的，适用于中、小传动比，最小传动比I=10。该平面包络蜗杆的形成过程称为第一次包络，如果以此包络环面蜗杆为产形轮再展成一个蜗轮，其过程称为第二次包络，平面包络环面蜗杆与由它展成的蜗轮构成的传动，称为平面二次包络环面蜗杆传动（即 SG-71型蜗杆传动）。平面二次包络环面蜗杆副与普通圆柱蜗杆及直廓环面蜗杆相比较，具有接触齿数多、蜗杆齿面可淬硬精确磨削、齿面硬度高、齿面光洁、精度高、齿面接触面较大，并有瞬时双线接触、接触线总长度长、综合曲率半径大、接触应力小、啮合润滑角大，啮合中容易形成动压油膜，减少齿面磨损。由于平面二次包络蜗杆传动具有上述优点，因此，自该传动诞生以来，很快在全国各行各业中被推广，现已大量应用于冶金设备，并在造船、采矿、机械、建筑、军工、化工等各行业中采用，受到普遍欢迎。但由于在多头小速比的场合，平面二次包络环面蜗杆会产生蜗杆齿面根切和边齿齿顶变尖等现象，而且头数越多越严重，因此，一般速比不能小于8，按正常情况只能做到4个头。直廓环面蜗杆则在工艺上十分复杂，成本较高，国内最多只能做到6个头。 锥面二次包络环面蜗杆传动（即SG-85型蜗杆传动）是介于平面二次包络环面蜗杆传动和直廓环面蜗杆之间的一种新型环面蜗杆传动，它既具有平面包络环面蜗杆可以淬硬磨削、制造工艺较易实现的特点，又具有直廓环面蜗杆可避免蜗杆边齿齿顶变尖和根切的优点。但是，它在蜗轮齿面接触区面积上不如平面二次包络环面蜗杆传动大，而比直廓环面蜗杆传动宽，而在边齿齿顶变尖和根切方面又不如直廓环面蜗杆那样根本不会产生，而平面包络环面蜗杆当速比小于10时却难于避免。 为了更好地发挥各自的优势，当蜗杆头数为14时，可制成平面二次包络环面蜗杆副，而当蜗杆头数大于4时则制成锥面二次包络环面蜗杆副。 2、包络环面蜗杆传动的发展及现状 1960年左右，首钢公司在很多的冶金设备上，装备了各种规格的直廓环面蜗杆副和普通圆柱蜗杆等重载蜗杆减速器，由于普通圆柱蜗杆寿命短、易损坏，而直廓环面蜗杆无备件，直接影响了冶金企业的连续生产。为了解决这一难题，从1963年开始，首钢机械厂与原一机部机械科学院合作，于当年研制出中心距 250mm的第一套直齿平面蜗杆副，用于首钢焦化厂配煤机上，第二年又合作制造出中心距540mm，传动比45的大型直齿平面蜗杆减速器，用于首钢炼钢厂30吨转炉倾动机构，取代了当时质量难以过关的直廓环面蜗杆传动，这台减速器从1965年开始使用，钢水容量从30吨扩大到48吨，后因箱体等各部件老化拆下，共用24年。 1970、1971年首钢机械厂张德华等同志在总结研制直齿平面蜗杆副经验基础上先后解决了两项关键问题，一是利用旧皮带车床改装出一台能加工中心距250mm的环面蜗杆专用车床，一是设计制造出专用磨头。这两项关键设备与工装是运用平面包络技术研制新型传动的基本条件，缺一不可。1971年在制造斜齿平面蜗轮副的基础上，创造了我国第一套平面二次包络环面蜗杆副。可见，专用车床和专用磨头是运用平面包络技术的关键所在，这两项专用工具的出现，标志着我国平面包络技术进入了新阶段。重庆大学教师张光辉1974年底至1975年初到首钢机械厂调研，了解到包络蜗杆制造状况时很感兴趣，向冶金部做了专题汇报。冶金部迅速组织有关大专院校、科研单位对该项目进行理论研究、鉴定和推广工作；冶金部和北京市于1971年命名这种蜗杆副为“首钢（SG）71型蜗杆副”；1979年获得国家科委颁发的“二等发明奖”；几乎与首钢的发明同时，日本出现过与之雷同的技术，但没有象首钢是在1971年就制造出产品。1985年为了解决多头小速比蜗杆传动，在北京冶金设备研究所合作下，首钢机械厂又研制成功了锥面包络环面蜗杆传动磨削装置，并获国家专利，产品获北京市科技进步奖。 平面包络环面蜗杆传动在我国问世以后，受到各方面的重视，许多高等院校科研单位、工矿企业开展了对这种传动的研究、实验和试制工作，取得了很大成果，较早与首钢合作进行理论研究的单位有：重庆大学、北京科技大学、进行这项研究的单位还有郑州机械研究所。以后逐渐参加研究的单位有乐山冶金机械轧辊厂、西安冶金机械厂、南开大学、北京理工大学、天津市机械研究所、上海冶金设备总厂、湘潭钢铁公司、西安冶金建筑学院、太原钢铁公司、武汉钢铁公司、鞍山钢铁公司、中国矿业大学、中国农业大学等。在诸多单位对平面二次包络环面蜗杆传动进行讨论研究期间，我国齿轮传动学术界形成了理论与实践紧密结合，不断取得新成果的欣欣向荣局面。理论研究成就推动着平面二次包络环面蜗杆传动在我国的传播和推广。目前，我国已有三十余家生产环面蜗杆副厂家，年生产量7000台套左右，其中轧机压下蜗杆传动用的平面二次包络环面蜗杆传动产品从1984年开始获得质量银牌奖，典型产品太钢第七轧钢厂八辊1400冷轧机的中心距为760mm压下蜗轮副和太钢第六轧钢厂2300冷轧机的中心距为1200mm压下蜗轮副已分别运行20余年。再如，首钢的大型鱼雷罐车全部52台车中的倾动机构采用了A=560/250双级减速装置。蜗轮副均为平面二次包络蜗轮副，有的已运行10年以上。在引进设备消化、吸收和创新中采用包络环面蜗杆传动也取得突出效果。橡胶轮胎定型硫化机于1978年开始由化工部北京橡胶设计院负责消化设计的，其中的主传动原为日本生产的尼曼蜗杆和延伸渐开线蜗杆减速器，以及美国的Cone Drive环面蜗杆减速机。设计中采用SG71型蜗轮付予以替代，从1978年开始，国内主要橡胶机械厂生产的轮胎硫化机全部使用了SG71型蜗轮减速器，性能一直很好，现在硫化机已经批量向东南亚等国家出口。至今全国已配套近3000台套，用于硫化机设备上。截止到目前，仅首钢公司就生产制造包络环面蜗杆副18000余台套。其中有很多产品，直接用于顶替原引进蜗杆减速器或配套出口的设备上。目前我国包络环面蜗杆可生产范围为中心距501200mm，蜗杆头数19，传动比 i=5100(单级，其中i=510为锥面包络)。中心距685.8mm，蜗杆头数8的锥面包络环面蜗杆副用于首钢二炼钢厂350t天车主提升减速机中，从1991年安装使用至今。环面蜗杆专用机床设计制造已从厂家自行研制到专业机床厂生产，数控专用蜗杆机床已经出现如大连第二机床厂中心距320mm，宝鸡广环机床有限公司GJK50多功能数控 蜗杆机床可加工中心距500mm，郑州机械研究所与重庆机床厂也合作研制成功了数控机床。另外天津华盛昌齿轮公司与德国克林贝格公司合作生产的HNC35TP九轴数控专用蜗杆磨床90年代投入使用。可磨削精度5级环面蜗杆，中心距可加工500mm。数控蜗杆磨床的应用，一方面提高了工件的加工精度及质量，另一方面也提高了生产效率，还降低了劳动强度，自动化程度大为提高。如磨齿时，原无数控时每面分别磨螺旋，入口，出口倒坡，应用数控就可将入口，螺旋出口一次磨出。在产品标准制订方面已从YJB10184平面二次包络环面蜗杆传动精度及公差标准YB/JQ20289轧机压下平面二次包络环面蜗杆传动装置技术条件冶金企业标准到ZBJ1902189平面包络环面蜗杆减速机国家专业标准。 1989年开始冶金部组织首钢机械厂、上海冶金设备总厂、西安冶金机械厂、北京冶金设备研究院，北京理工大学经过多年的努力，完成了产品标准起草、样机设计制造、试验，经国标工作组多次征求国内企业及有关院校意见后于1996年6月发布平面二次包络环面蜗杆传动术语、几何要素代号、减速器系列润滑和承载能力、精度、减速机技术条件国家标准（GB/T16442164461996）标志着我国平面二次包络环面蜗杆制造水平步入成熟期。 产品设计方面，1984年首钢机械厂开发了“平面二次包络环面蜗杆传动参数优化设计”软件。利用计算机对参数优选。 在精度检测方面，首钢机械厂与成都工具研究所于1989年合作研制成功蜗杆精度测量仪，可以实现蜗杆分头误差、运动误差、螺旋线误差、周节累积误差、接触斑点等项目的检测。 3、理论研究成果和进展在冶金部组织力量对平面二次包络环面蜗杆传动进行理论研究的时候，我国学术界已经为这次研究奠定了坚实的理论基础，特别是我国著名数学家南开大学吴大任教授领导的齿轮啮合理论研究组的一系列论文，在国内产生了具大影响，我国关于平面包络环面蜗杆传动理论研究是很深入、丰富的，除了进行常规的接触线及根切分析以外，还完成了以下工作。（1）推导并计算了诱导法曲率，接触线与相对速度的夹角。2）对二次接触原理进行了严格数学论证，证明了第二次接触面产生的必然性。（3）分析论证了二类界点邻域内啮合状态。（4）提出了避免啮合干涉的设计方法和工艺措施。（5）研究了蜗杆（滚刀）齿顶变尖及根切规律，在全面考核啮合性能的基础上提出了以蜗杆齿顶变尖和根切做为齿面参数选择的界限条件。（6）进行了广泛的变位传动研究，变位因素包括中心距，传动比，蜗杆轴向位平面倾角变化等，计算分析了这些因素对啮合性能的影响，提出了最佳修形方法。（7）分析了平面包络环面蜗杆传动用于小传动比场合存在的问题，提出了解决方法，（即采用锥面包络环面蜗杆传动）。以上理论研究成果推动了包络环面蜗杆传动制造技术水平的不断提高和完善，在包络蜗杆传动研究与应用方面目前我国保持世界先进水平。近年来，首钢机械厂与中国农业大学合作提出了平面二次包络环面蜗杆副最佳修形方法，锥面二次包络环面蜗杆副最佳修形方法，经实践取得了较好的效果，使蜗轮付啮合状态达到最好的接触质量。 1993年首钢机械厂与重庆大学合作进行了锥面包络环面蜗杆失配啮合传动的研究，该研究解决了包络环面蜗杆对制造误差的敏感性，消除由制造误差造成的齿面边缘接触，进行了包络环面蜗杆传动的失配啮合研究，以期获得对制造误差的不敏感，易于加工装配，经短期运行后能实现理想接触的新型环面蜗杆传动。最近几年包络环面蜗杆传动设计、制造和选用等内容已编入齿轮手册、齿轮制造手册、现代机械传动手册、机械传动装置选用手册、机械设计手册和机械工程手册等,为此类产品的选用、设计和制造提供了依据，但相关大学教材中还未编入。中国机械工程学会与其他齿轮专业协会应促成将包络环面蜗杆传动编入机械专业大学教科书中。以使这一技术得到更广泛推广应用。 4、包络环面蜗杆传动的研究展望 计算机技术的应用和普及给包络蜗杆传动的研究提供了有力的手段。目前，CAD的应用还局限于进行一些简单设计计算及制作零件图、装配图等。应下大力加强计算机模拟齿形加工成形的研究，用计算机仿真包络环面蜗杆传动的啮合过程。跑合规律研究等。近年来我国学者提出了双锥面二次包络环面蜗杆传动，指锥面二次包络环面蜗杆传动等，以及参数选择和失配研究。滚刀铲磨是环面蜗杆付制造工艺的 主要难题，至今没有解决，而平面包络不能铲磨，而直线齿廓从理论上就无法磨制。双锥面指锥面可变参数多，磨削方便，随着数控技术应用的深入可以实现滚刀的铲磨，进而可以大大提高滚刀精度和寿命，减低劳动强度，从而解决制约包络环面蜗杆传动在工业应用中的一大难题。包络环面蜗杆传动强度的研究是一个十分迫切和重要的课题，要完成强度理论研究需进行大量实验方能提出充分的依据，此项工作应引起国家有关部门重视，由于人员资源条件有限，此工作仅由一两个单位很难完成，应