(內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司 產(chǎn)品研究院， 內(nèi)蒙古 包頭 014033)

引言

某產(chǎn)品減速器裝配于大型回轉(zhuǎn)設(shè)備上，其體積龐大，傳動(dòng)功率較大，而且在傳動(dòng)方式上也較為獨(dú)特，即采用雙軸輸入、單軸輸出，這與傳統(tǒng)單軸輸入、單軸輸出小功率減速器傳動(dòng)方式有所不同。采用傳統(tǒng)機(jī)械磨合試驗(yàn)臺(tái)不易解決的問(wèn)題有兩個(gè)：其一，機(jī)械摩擦模擬加載存在缺陷，由于該產(chǎn)品減速器輸出功率較大，采用傳統(tǒng)磨擦加載方式不僅會(huì)消耗大量摩擦片，而且操作較為危險(xiǎn)[1-3]；其二，雙軸輸入的同步性要求不易實(shí)現(xiàn)[4-5]。針對(duì)以上問(wèn)題設(shè)計(jì)出減速器全液壓磨合試驗(yàn)臺(tái)，該全液壓磨合試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)不僅使以上問(wèn)題得到解決，而且在操作上大為簡(jiǎn)化，安全性得到進(jìn)一步保障；同時(shí)在降低使成本前提下，也填補(bǔ)了企業(yè)在該項(xiàng)技術(shù)上的空白。

1 設(shè)計(jì)要求

減速器雙向雙軸輸入轉(zhuǎn)速為2250 r/min，單軸輸出轉(zhuǎn)速為71.24 r/min。在此輸入與輸出轉(zhuǎn)速的規(guī)定下要求：

(1) 當(dāng)輸出軸的負(fù)載力矩MF1=0時(shí)，磨合時(shí)間t1=60 min；

(2) 當(dāng)輸出軸的負(fù)載力矩MF2=2505 N·m時(shí)，磨合時(shí)間t2=30 min；

(3) 當(dāng)輸出軸的負(fù)載力矩MF3=3757.5 N·m時(shí)，磨合時(shí)間t3=15 min；

(4) 當(dāng)輸出軸的負(fù)載力矩MF4=5010 N·m時(shí)，磨合時(shí)間t4=5 min。

2 設(shè)計(jì)思路和工作原理

2.1 模擬加載問(wèn)題的設(shè)計(jì)思路

由于傳統(tǒng)磨擦片加載方法帶來(lái)的諸多不利因素，針對(duì)該問(wèn)題可采用液壓加載的方法加以解決[6-7]。即減速器將前級(jí)輸入的機(jī)械能通過(guò)輸出軸帶動(dòng)液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能，液壓能又通過(guò)溢流閥加載的方式將其轉(zhuǎn)換為熱能，熱能隨液壓油一起流回油箱，流回油箱的熱能通過(guò)自然或強(qiáng)制散熱的方式將其釋放掉。

2.2 雙軸輸入同步性問(wèn)題的設(shè)計(jì)思路

雙軸輸入同步性問(wèn)題可以通過(guò)液壓傳動(dòng)的方式加以解決[8-10]，即用1個(gè)普通交流電機(jī)帶動(dòng)液壓泵將電能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，再通過(guò)液壓閥組將液壓能以并聯(lián)的方式分為兩路，兩路液壓能各帶動(dòng)1個(gè)參數(shù)完全相同的液壓馬達(dá)，2個(gè)液壓馬達(dá)的輸出軸分別與減速器的2個(gè)輸入軸相連， 從而將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能向下級(jí)傳

動(dòng)，一直傳到減速器的輸出軸。由于液壓傳動(dòng)具有無(wú)級(jí)、平穩(wěn)和可壓縮性，在2個(gè)輸入軸和1個(gè)輸出軸的制約下，實(shí)現(xiàn)2個(gè)液壓馬達(dá)的同步轉(zhuǎn)速。

2.3 正反向磨合換向問(wèn)題的設(shè)計(jì)思路

換向問(wèn)題在液壓傳動(dòng)中較為簡(jiǎn)單，只要在液壓油路中加入三位四通電液換向閥即可輕松解決減速器正反向磨合換向問(wèn)題。

2.4 液壓工作原理

根據(jù)上述解決問(wèn)題的思路，設(shè)計(jì)出減速器全液壓磨合試驗(yàn)臺(tái)液壓工作原理，詳見(jiàn)圖1。

3 設(shè)計(jì)分析

3.1 加載液壓泵的選型

假設(shè)所選液壓泵的額定壓力為21 MPa，最大壓力為31.5 MPa；計(jì)算減速器加載液壓泵的排量和輸入功率。

1) 所選液壓泵的最小排量q1：

(1)

式中，q1—— 液壓泵的排量，mL/r

MF—— 驅(qū)動(dòng)液壓泵所需最大負(fù)載扭矩，MF4=5010 N·m

p1—— 液壓泵的工作壓力，p1=21 MPa

η1—— 液壓泵的容積效率，一般可取η1=0.88～0.9

1.油泵電機(jī)組 2.單向閥 3.常開(kāi)式電磁溢流閥 4.三位四通電液換向閥 5.高速同步液壓馬達(dá) 6.聯(lián)軸器 7.被試減速器8.扭矩轉(zhuǎn)速儀 9.低速大扭矩液壓馬達(dá) 10.加載溢流閥 11.補(bǔ)油泵電機(jī)組 12.吸油過(guò)濾器 13.回油過(guò)濾器 14.截止閥15.空氣濾清器 16.油標(biāo) 17.油箱 18.壓力表圖1 減速器全液壓磨合試驗(yàn)臺(tái)液壓工作原理

代入式中得：

2) 液壓泵的輸入功率N1：

(2)

式中,N1—— 液壓泵的輸入功率,kW

MF—— 驅(qū)動(dòng)液壓泵所需最大負(fù)載扭矩，MF4=5010 N·m

n1—— 減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速，n1=71.24 r/min

代入式中得：

N1≈37.4 kW

從以上計(jì)算可知，當(dāng)減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速為n1=71.24 r/min，加載液壓泵的排量為q1=1703 ml/r。在目前的情況下，將加載液壓泵直接安裝在減速器的輸出軸上，不切合實(shí)際。原因有2個(gè)：其一，減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速過(guò)低，轉(zhuǎn)速過(guò)低使液壓泵的工作性能不能保證，目前液壓泵的轉(zhuǎn)速一般在600 r/min以上，最佳轉(zhuǎn)速在1000～1800 r/min；其二，液壓泵的排量過(guò)大，目前液壓泵的排量一般在500 mL/r以下。因此要用液壓泵對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行加載，對(duì)輸出軸必須進(jìn)行增速[11]，建議增速器的增速比在10～15之間，增速后不僅使液壓泵的排量和體積減小，而且使轉(zhuǎn)速增加；這樣有利于液壓泵的選型，但加設(shè)增速器使試驗(yàn)臺(tái)整體體積有所增大。

如果對(duì)輸出軸不進(jìn)行增速(即不設(shè)增速器)，另一個(gè)方案是，選用低速大扭矩液壓馬達(dá)代替液壓泵對(duì)輸出軸進(jìn)行加載[12-13]。但低速大扭矩液壓馬達(dá)自吸能力較差，需加設(shè)低壓油泵電機(jī)組對(duì)其吸油口進(jìn)行帶壓補(bǔ)油，該方案不僅解決輸出軸低速需求問(wèn)題(液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速可以控制到0.5 r/min)，而且大排量需求問(wèn)題也迎刃而解(液壓馬達(dá)的排量可達(dá)到10000 mL/r以上)。

從總體布局和成本造價(jià)的角度出發(fā)，決定采用低速大扭矩液壓馬達(dá)+補(bǔ)油泵方案。選用某公司生產(chǎn)的SM-18內(nèi)曲線徑向柱塞低速大扭矩液壓馬達(dá)，技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

3.2 補(bǔ)油泵電機(jī)組的選型

1) 所選補(bǔ)油泵的排量q2

根據(jù)低速大扭矩液壓馬達(dá)排量和輸出轉(zhuǎn)速可以可以初步確定補(bǔ)油油泵的排量:

表1 SM-18液壓馬達(dá)技術(shù)參數(shù)

(3)

式中,q1—— 低速大扭矩液壓馬達(dá)的排量,

q=1747 mL/r

n1—— 減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速，n1=71.24 r/min

η1—— 低速大扭矩液壓馬達(dá)的容積效率，取0.88

q2—— 所選補(bǔ)油泵的排量，mL/r

n2—— 驅(qū)動(dòng)補(bǔ)油泵的的電機(jī)轉(zhuǎn)速，取1450 r/min

η2—— 所選補(bǔ)油泵的容積效率，選用葉片泵，取0.82

代入式中得：

q2≈119 mL/r

2) 所選補(bǔ)油泵電機(jī)組功率N2：

(4)

式中,N2—— 補(bǔ)油泵電機(jī)組功率,kW

p2—— 補(bǔ)油泵的工作壓力,取0.75 MPa

q2—— 補(bǔ)油油泵的排量；取1119 mL/r

n2—— 補(bǔ)油泵電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，取1450 r/min

η3—— 補(bǔ)油泵電機(jī)組的機(jī)械效率，一般可取0.9

代入式中得：

N2≈2.4 kW

表2 補(bǔ)油泵電機(jī)組技術(shù)參數(shù)

3.3 油箱容積的確定

1) 對(duì)磨合加載試驗(yàn)產(chǎn)生熱量W

(5)

式中,W—— 磨合加載產(chǎn)生的熱量,J

n1—— 減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速71.24 r/min

MF1,MF2,MF3,MF4—— 輸出軸在磨合時(shí)所加的不同負(fù)載，見(jiàn)已知條件

t1,t2,t3,t4—— 在不同負(fù)載下的運(yùn)行時(shí)間，見(jiàn)已知條件

代入式中得：

W≈7.01×107J

2) 油箱容積V

在《薄伽丘和〈十日談〉的另一種解讀——紀(jì)念薄伽丘誕辰七百周年》一文中，王軍教授指出“《十日談》著力于最能體現(xiàn)人類情感的‘愛(ài)情’和最能體現(xiàn)人類理性的‘智慧’?！盵2]28“愛(ài)情”和“智慧”是否也是《十日談》中女性角色情感與理智的體現(xiàn)？在二者的互相作用下，這些女性角色最終會(huì)走向何種結(jié)局？

(6)

式中,V—— 所需油箱容積，L

W—— 磨合加載產(chǎn)生的熱量，7.01×107J

c—— 液壓油的比熱容，約等于2093 J/(kg·℃)

Δt—— 油液溫升，取40 ℃

ρ—— 液壓油的密度，0.9 kg/L

k—— 油箱容積系數(shù)，取0.8

代入式中得：

V≈1160 L

3.4 高速同步液壓馬達(dá)的選型

1) 在不考慮傳動(dòng)效率的前提下，根據(jù)減速器輸出軸的最大力矩和轉(zhuǎn)速以及輸入軸的轉(zhuǎn)速，可推導(dǎo)出每根輸入軸的扭矩的大小：

(7)

式中,M1—— 輸入軸的扭矩，N·m

MF—— 驅(qū)動(dòng)液壓泵所需最大負(fù)載扭矩，MF4=5010 N·m；

n1—— 減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速，71.24 r/min

n3—— 輸入軸的轉(zhuǎn)速，2250 r/min

代入式中得：

M1=79.3 N·m

假設(shè)所選高速同步液壓馬達(dá)的額定壓力為25 MPa,最大壓力為31.5 MPa。計(jì)算此高速同步液壓馬達(dá)的排量和輸入功率。

2) 高速液壓馬達(dá)最小排量q3的計(jì)算：

(8)

式中,q3—— 高速同步液壓馬達(dá)的排量,mL/r

M1—— 輸入軸的扭矩，79.3 N·m

p3—— 高速同步液壓馬達(dá)的工作壓力，25 MPa

η4—— 高速同步液壓馬達(dá)的容積效率，一般可取0.88～0.9

代入式中得：

q3≈22.6 mL/r

3) 高速同步液壓馬達(dá)最小輸出功率N3的計(jì)算：

(9)

式中,N3—— 高速液壓馬達(dá)的輸出功率,kW

p3—— 高速同步液壓馬達(dá)的工作壓力，25 MPa

q3—— 高速同步液壓馬達(dá)的排量，22.6 mL/r

n3—— 輸入軸的轉(zhuǎn)速，2250 r/min

η4—— 高速同步液壓馬達(dá)的容積效率，一般可取0.88～0.9

代入式中得：N3≈24 kW

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選用某公司生產(chǎn)的A2F28W2Z1斜軸式軸向柱塞高速液壓馬達(dá)，技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表3。

表3 A2F28W2Z1柱塞液壓馬達(dá)技術(shù)參數(shù)

3.5 油泵電機(jī)組的選型

在高速液壓馬達(dá)選定的前提下，即可對(duì)油泵機(jī)組進(jìn)行選用。

1) 油泵流量的確定

高速馬達(dá)在2250 r/min時(shí)的流量為63 L/min，2個(gè)即為126 L/min，如果考慮到容積效率油泵的流量應(yīng)不小于150 L/min，為了使油泵流量可調(diào)節(jié)，選用手動(dòng)變量方式[14-15]。

2) 電機(jī)功率的確定

每個(gè)高速液壓馬達(dá)所消耗的功率為24 kW，2個(gè)即為48 kW，如果考慮到機(jī)械效率(4級(jí)連軸器、減速器4級(jí)齒輪傳動(dòng))和液壓泵的容積效率，油泵電機(jī)的功率應(yīng)不小于70 kW。

根據(jù)以上條件，選用160SCY-Y315S-6油泵電機(jī)組，技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表4。

表4 160SCY-Y315S-6油泵電機(jī)組技術(shù)參數(shù)

3.6 其余液壓元器件的選用

液壓閥以及各液壓輔件的選用可根據(jù)系統(tǒng)已知參數(shù)，查詢有關(guān)樣本或通過(guò)計(jì)算可具體確定，這里不再細(xì)述。

4 三維模型及實(shí)物樣機(jī)

減速器全液壓磨合試驗(yàn)臺(tái)三維模型及實(shí)物樣機(jī)，詳見(jiàn)圖2～圖4。

5 結(jié)論

該試驗(yàn)臺(tái)經(jīng)過(guò)了設(shè)計(jì)、加工制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行，結(jié)果證明方案可行，運(yùn)行良好，操作簡(jiǎn)便，解決了減速器磨合的難題。該試驗(yàn)臺(tái)也可用于其它減速器產(chǎn)品的磨合，尤其對(duì)大型減速器產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，優(yōu)勢(shì)更為明顯。該試驗(yàn)臺(tái)也可以將2個(gè)加載溢流閥更換為比例溢流閥， 通過(guò)PLC或單片機(jī)編程控制可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化程度更高的“一鍵制”控制，即按下一個(gè)按鈕，便能自動(dòng)完成減速器的全過(guò)程磨合。

圖2 減速器全液壓磨合試驗(yàn)臺(tái)三維模型

圖3 減速器全液壓磨合試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物樣機(jī)之一

圖4 減速器全液壓磨合試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物樣機(jī)之二