李永福，張杰義，李靜宇

河南衛(wèi)華重型機(jī)械股份有限公司 河南新鄉(xiāng) 453400

1 序言

隨著國(guó)際造船業(yè)的發(fā)展，船體體積逐漸增大，大型船體零部件制造產(chǎn)量提升，推動(dòng)著造船門(mén)式起重機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)“造船門(mén)機(jī)”）大型化的發(fā)展；其中卷筒直徑也逐漸增大、起升高度高，起升機(jī)構(gòu)中多采用開(kāi)式人字齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)具有承載能力高、傳動(dòng)平穩(wěn)和軸向載荷小等優(yōu)點(diǎn)，在大型船舶、航空航天等重型機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[1]。但是，仍存在因齒輪直徑大、厚度小，導(dǎo)致裝配精度高、變形控制難度大及嚙合精度調(diào)整困難等問(wèn)題。

2 人字齒輪卷筒裝配結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖1所示，該造船門(mén)機(jī)的起升機(jī)構(gòu)是采用左旋大齒輪和右旋大齒輪裝配在卷筒一端的法蘭上，形成人字大齒輪與相對(duì)應(yīng)小齒輪嚙合，再與減速機(jī)、聯(lián)軸器和電動(dòng)機(jī)等組合；左旋齒輪和右旋齒輪，兩齒輪旋向相反，其余技術(shù)參數(shù)均相同。大型人字齒輪裝配時(shí)，需要使相互嚙合的一對(duì)人字齒輪自然對(duì)中，彌補(bǔ)加工所帶來(lái)的誤差；在人字齒輪正確嚙合的情況下，一對(duì)左右旋齒輪所產(chǎn)生的軸向力可以相互抵消，但是，如果一對(duì)齒輪安裝調(diào)整不好，不能自由對(duì)中，就會(huì)出現(xiàn)齒輪單邊嚙合的現(xiàn)象，也嚴(yán)重降低人字齒輪傳動(dòng)的穩(wěn)定性和可靠性[2]。 由于人字齒輪的螺旋角較大，如該主卷筒人字齒輪的螺旋角為26°45'5"，重載時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的軸向力，因此在裝配人字齒輪時(shí)，不僅要有一定的齒側(cè)間隙和齒頂間隙，對(duì)應(yīng)嚙合的小齒輪軸還要有足夠的自由移動(dòng)量，這樣才可以保證在嚙合過(guò)程中對(duì)稱(chēng)線自然對(duì)中，否則就會(huì)出現(xiàn)嚙合不良、噪聲大等現(xiàn)象，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)使軸承發(fā)熱受損。

圖1 主卷筒起升機(jī)構(gòu)平面布置與實(shí)物

卷筒是起重機(jī)產(chǎn)品上的重要零部件，單個(gè)卷筒質(zhì)量32000kg，卷筒繩槽徑2800mm，需要裝配的左（右）旋齒輪外徑3700mm、內(nèi)徑3190mm、厚度165mm，模數(shù)25mm，精度等級(jí)IT7，配對(duì)齒輪中心距2128mm；屬于大型齒輪、薄壁齒輪。如何保證大齒輪與卷筒的裝配精度、大齒輪與小齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)精度是該起升機(jī)構(gòu)裝配工藝的重點(diǎn)和難點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)制造必要的裝配工裝、檢測(cè)量具和試驗(yàn)裝置來(lái)保障工作順利進(jìn)行，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 工裝設(shè)計(jì)與應(yīng)用

分析得知2000t造船門(mén)機(jī)起升機(jī)構(gòu)有上小車(chē)和下小車(chē)共5組卷筒，每組卷筒由1對(duì)大小人字齒輪進(jìn)行嚙合，為了保證大小人字齒輪的裝配精度、裝配安全和裝配質(zhì)量的穩(wěn)定性，也為了提高生產(chǎn)效率、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)并制造了以下裝配工藝裝備。

3.1 吊環(huán)工裝設(shè)計(jì)

上文提到，單個(gè)左（右）旋齒輪直徑大、厚度薄，齒輪與卷筒的裝配形式只能將卷筒水平放置，齒輪垂直穿過(guò)卷筒安裝在卷筒法蘭上。因此，齒輪采用垂直吊裝以防直立失圓變形，需要設(shè)計(jì)一種翻轉(zhuǎn)和吊起裝配工裝，工裝中工藝螺栓孔、工藝手孔和特制工藝螺栓用于緊固，還要方便對(duì)左旋齒輪的裝配與調(diào)整；同時(shí)吊裝過(guò)程中保證安全、可靠且使用方便，需具備制作簡(jiǎn)單、成本低和效率高等特點(diǎn)，以達(dá)到控制變形和提高裝配效率的雙重作用。

如圖2所示，該吊環(huán)以固定齒輪、防止齒輪吊裝變形和磕碰的臺(tái)階圓環(huán)為主體結(jié)構(gòu)，附加水平吊耳、垂直吊耳組合、圓度調(diào)整裝置和緊固螺釘?shù)取Ｅ_(tái)階吊環(huán)設(shè)計(jì)的安裝臺(tái)階尺寸與齒輪臺(tái)階孔進(jìn)行公差配合，公差帶H8/h7，通過(guò)均布的8個(gè)緊固螺釘與齒輪上的工藝螺紋孔裝配在一起；臺(tái)階圓環(huán)上加工有4個(gè)對(duì)稱(chēng)工藝檢測(cè)孔，用塞尺來(lái)檢測(cè)齒輪內(nèi)徑與卷筒法蘭的配合間隙，并通過(guò)圓度調(diào)整裝置進(jìn)行調(diào)整，合格后用工藝螺栓進(jìn)行固定，最后拆去臺(tái)階圓環(huán)。

圖2 吊環(huán)結(jié)構(gòu)

如圖2、圖3所示，垂直吊耳組合由擋板、中間板、連接板、垂直吊耳及聯(lián)接螺栓等組成，垂直吊耳焊接在中間板頂部中間位置，中間板厚度＝齒輪厚度＋臺(tái)階圓環(huán)厚度；中間板鉆通孔，左側(cè)裝配擋板、右側(cè)裝配連接板，用螺栓、螺母和墊圈將3塊板聯(lián)接在一起；連接板下部鉆較大的通孔（如φ32mm），用螺栓（如M32×60mm）將連接板與臺(tái)階圓環(huán)聯(lián)接起來(lái)，使該垂直吊耳組合能將臺(tái)階圓環(huán)和齒輪整體吊裝起來(lái)，保證齒輪垂直。

圖3 垂直吊耳組合結(jié)構(gòu)

3.2 V形尺工裝設(shè)計(jì)

組裝成的人字齒輪，左右旋齒輪的對(duì)中性是影響傳動(dòng)精度的關(guān)鍵因素，也是影響卷筒上齒輪壽命的重要因素，同時(shí)還是整體設(shè)備的關(guān)鍵控制點(diǎn)之一。大型人字齒輪傳動(dòng)的卷筒質(zhì)量可靠，生產(chǎn)效率較高，壽命長(zhǎng)、維保成本較低，但由于卷筒上裝配式人字齒輪的裝配精度有更高要求，所以必須通過(guò)設(shè)計(jì)檢測(cè)工裝或?qū)Ｓ昧烤邅?lái)完成。

如圖4所示，V形尺的寬度與齒輪分度圓處齒寬相同，角度α為左（右）旋齒輪螺旋角，厚度為2mm，對(duì)稱(chēng)分布鉆攻螺紋孔（如M8），并裝配調(diào)整螺釘在齒輪的齒谷處調(diào)平；該V形尺用激光切割機(jī)或線切割等精密設(shè)備制成，也可以數(shù)控加工，但加工后必須經(jīng)過(guò)三坐標(biāo)等精密儀器檢測(cè)，其角度及其公差必須與齒輪螺旋角相同。

圖4 V形尺檢測(cè)

V形尺應(yīng)用如圖5所示，將檢驗(yàn)合格的V形尺（V形尺的角度與人字齒輪螺旋角一致）放置在卷筒已經(jīng)裝配人字齒輪（左旋齒輪、右旋齒輪）的齒谷中，調(diào)整螺栓使V形尺位于分度圓位置處，V形尺左右對(duì)稱(chēng)；用塞尺測(cè)量齒分度圓處與V形尺接觸的四周間隙值，會(huì)出現(xiàn)左旋齒輪與右旋齒輪齒側(cè)間隙不同的情況，這時(shí)應(yīng)以左旋或右旋的一個(gè)齒為基準(zhǔn)，調(diào)整V形尺位置，可判斷左旋齒輪與右旋齒輪存在裝配偏差，設(shè)定百分表定位基準(zhǔn)，將左旋齒輪旋轉(zhuǎn)一定角度（每次旋轉(zhuǎn)弧長(zhǎng)一般為0.1mm），多次調(diào)整后，最終滿(mǎn)足某對(duì)稱(chēng)齒與V形尺接觸的四周間隙值一致的要求，說(shuō)明左旋齒輪與右旋齒輪對(duì)中。

圖5 V形尺應(yīng)用

V形尺檢測(cè)裝置的應(yīng)用，有效地解決了由左右旋斜齒齒輪組成的人字齒裝配的精確調(diào)整問(wèn)題，左右旋齒形偏角調(diào)整準(zhǔn)確、高效，該裝置制造成本低、精度高，提高了裝配效率。

3.3 跑合試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)

跑合試驗(yàn)工裝平面布置如圖6所示。

圖6 跑合試驗(yàn)工裝平面布置

跑合試驗(yàn)的目的：使齒輪漸開(kāi)線表面做好承受使用載荷的表面摩擦準(zhǔn)備，也是最直觀檢測(cè)開(kāi)式齒輪嚙合精度的手段，還是跑合試驗(yàn)工裝驗(yàn)證的重要方式。

該開(kāi)式人字齒輪外形尺寸大、調(diào)整困難，與耦合的小齒輪嚙合精度調(diào)整合格后，僅說(shuō)明使用壓鉛絲法或紅丹粉法檢測(cè)的大齒輪個(gè)別齒與小齒輪嚙合合格；為了消除加工或熱處理后的變形，能進(jìn)一步提高齒輪的全面接觸精度和減少噪聲，跑合試驗(yàn)就顯得更為重要。

因該起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)電壓U＝500V、功率P＝400kW，在一般制造工廠內(nèi)不能起動(dòng)運(yùn)行，故設(shè)計(jì)一套跑合試驗(yàn)工裝。裝備一臺(tái)功率P＝15kW、電壓U＝380V的小功率變頻電動(dòng)機(jī)，在減速機(jī)和電動(dòng)機(jī)外側(cè)設(shè)置一個(gè)電動(dòng)機(jī)平臺(tái)，在電動(dòng)機(jī)平臺(tái)上安裝電動(dòng)機(jī)滑軌和小功率變頻電動(dòng)機(jī)，使安裝在小電動(dòng)機(jī)軸上的小帶輪通過(guò)三角帶與裝配在減速機(jī)高速軸上的大帶輪進(jìn)行減速傳動(dòng)，從而帶動(dòng)人字小齒輪與大齒輪進(jìn)行跑合試驗(yàn)。

4 裝配工藝流程

起升機(jī)構(gòu)的裝配是起重機(jī)制造工藝過(guò)程中的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。合理安排裝配順序和工序，是縮短裝配周期、提高裝配效率的保障，也是穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，以延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命的關(guān)鍵。其包括裝配、調(diào)整、檢驗(yàn)和試驗(yàn)等工作。

工藝流程圖（見(jiàn)圖7）體現(xiàn)主要裝配環(huán)節(jié)，質(zhì)量檢查貫穿每個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)裝配前復(fù)檢、記錄數(shù)據(jù)、經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析判定合格等流程后，才允許后續(xù)裝配工序開(kāi)工；探索出了大型人字齒輪對(duì)齒簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確且裝配效率較高的工藝及質(zhì)量控制方法，保證該造船門(mén)機(jī)的5組卷筒裝配質(zhì)量穩(wěn)定。

圖7 工藝流程

5 裝配工藝與跑合試驗(yàn)

裝配工作一般在潔凈的裝配車(chē)間內(nèi)進(jìn)行，因該造船門(mén)機(jī)起升機(jī)構(gòu)的特殊性——外形尺寸大、質(zhì)量大、需要齒輪翻面和運(yùn)行試驗(yàn)等，故安排在高跨車(chē)間的一端進(jìn)行總裝配和運(yùn)行試驗(yàn)。

根據(jù)裝配工藝要求，各種待裝配的零部件按照裝配先后順序擺放，先裝配零件就近放置，需要翻轉(zhuǎn)零件遠(yuǎn)端放置，精密零件帶原包裝單獨(dú)放置，小件裝箱；所有零部件均不能落地，零件下部有墊木，距離地面＞200mm。

5.1 卷筒與齒輪裝配

裝配分解與實(shí)物如圖8所示，因該造船門(mén)機(jī)的質(zhì)量大，齒輪與卷筒裝配后的質(zhì)量約50t，為了保證裝配質(zhì)量與裝配安全，裝配過(guò)程應(yīng)謹(jǐn)慎操作，故裝配順序應(yīng)科學(xué)規(guī)劃、逐步進(jìn)行。

圖8 卷筒與齒輪裝配分解與實(shí)物

具體裝配步驟如下所述。

1）卷筒放置。設(shè)計(jì)并制作卷筒支撐架，其高度滿(mǎn)足齒輪與吊環(huán)工裝穿越卷筒體時(shí)與地面距離＞50mm，質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，既能方便裝配時(shí)移動(dòng)，又能用于卷筒發(fā)貨運(yùn)輸。

2）右旋齒輪裝配。利用水平吊耳將吊環(huán)平放，臺(tái)階圓環(huán)與右旋齒輪通過(guò)兩者的工藝螺栓孔進(jìn)行聯(lián)接，組合后平吊到能將吊環(huán)直立的安全區(qū)域；然后裝配垂直吊耳組合（見(jiàn)圖3），鋼絲繩卸扣穿入垂直吊環(huán)后將已經(jīng)裝配齒輪的吊環(huán)工裝直立，這樣帶齒輪的吊環(huán)工裝便能穿過(guò)卷筒體與卷筒法蘭進(jìn)行裝配，期間多次將卷筒支撐架換位。右旋齒輪與卷筒法蘭裝配后，用塞尺在工藝手孔處測(cè)量齒輪內(nèi)徑與卷筒法蘭配合間隙，粗調(diào)同軸后用工藝螺栓將齒輪固定。

3）左旋齒輪裝配。同樣按照步驟2用吊環(huán)工裝將左旋齒輪直立，向卷筒法蘭左側(cè)裝配，裝配后調(diào)整同軸，最后用特制工藝螺栓將左（右）旋齒輪與卷筒裝配在一起。

4）檢測(cè)左（右）旋齒輪軸向圓跳動(dòng)、徑向圓跳動(dòng)。將裝配好左右旋齒輪的卷筒，兩端軸頭裝配工藝軸承，放置在兩端等高的靜平衡架上，轉(zhuǎn)動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)一周，用百分表分別檢測(cè)齒輪的軸向圓跳動(dòng)量，偏差＜0.15mm，檢測(cè)徑向圓跳動(dòng)量＜0.1mm，符合圖樣要求。

5）軸向圓跳動(dòng)和徑向圓跳動(dòng)檢測(cè)合格后，使用V形尺檢測(cè)工裝對(duì)左右旋齒輪螺旋角進(jìn)行對(duì)中檢測(cè)和調(diào)整（具體方法見(jiàn)3.2）；調(diào)整合格后轉(zhuǎn)大型落地鏜床加工各聯(lián)接螺栓孔，并按照螺栓擰緊力矩進(jìn)行緊固。

5.2 卷筒、小齒輪總成與小車(chē)架裝配

卷筒、小齒輪總成與小車(chē)架裝配是常見(jiàn)的匯裝工藝。工藝路線為：按照?qǐng)D樣尺寸在小車(chē)架平臺(tái)上劃卷筒中心線、各支座十字中心線→匯裝卷筒支座→匯裝小齒輪底座→匯裝高壓電動(dòng)機(jī)底座，保證卷筒軸線、小齒輪軸線、減速機(jī)軸線、高壓電動(dòng)機(jī)軸線平行，各支座上部加工面水平，大齒輪端面與小齒輪端面平行，焊接各支座牢固。

5.3 大小齒輪嚙合調(diào)整

大小齒輪嚙合調(diào)整是人字齒輪裝配的重點(diǎn)和難點(diǎn)。調(diào)整時(shí)以大齒輪為基準(zhǔn)，調(diào)整小齒輪與大齒輪的嚙合間隙。

（1）調(diào)平小齒輪軸承座 因匯裝的各支座焊接后，會(huì)造成軸承底座平面傾斜現(xiàn)象，所以必須將安裝的小齒輪軸承座調(diào)平，用框式水平儀檢測(cè)精度不低于0.2mm/1000mm。具體方法是在軸承座下部墊薄鐵皮，測(cè)量大小齒輪中心距離符合圖樣設(shè)計(jì)公差，并在軸承座兩端用頂絲頂緊，預(yù)緊與底座聯(lián)接的螺栓。

（2）嚙合精度調(diào)整 分為齒側(cè)隙的檢查與調(diào)整，操作如下。

1）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[3]中表A1粗齒距（中、大模數(shù)）齒輪最小側(cè)隙jbnmin的推薦公式：jbnmin＝2/3×（0.06＋0.0005αi＋0.03mn），其中αi為最小中心距（mm），mn為齒輪法向模數(shù)（mm），jbnmin為最小側(cè)隙（mm），代入前述的數(shù)據(jù)，得：該人字齒輪嚙合側(cè)隙為1.25mm。

2）側(cè)隙的檢查。用塞尺分別塞入左旋齒輪的外端和右旋齒輪的外端，兩者偏差＜0.06mm，側(cè)隙值（1.25±0.03）mm；用壓鉛法進(jìn)行檢查，采用壓鉛法時(shí)，將跨3個(gè)齒距的鉛絲，垂直于齒輪軸線放置，沿整個(gè)齒寬放2～3排（視齒寬而定）鉛條，鉛條直徑不應(yīng)大于要求側(cè)隙的4倍，所測(cè)間隙大小等于兩側(cè)被擠壓后的鉛條厚度之和。

3）側(cè)隙的調(diào)整。用塞尺（或壓鉛絲法）測(cè)大小齒輪嚙合側(cè)隙時(shí)，通過(guò)軸承座兩端的頂絲或者楔塊來(lái)調(diào)整大小齒輪中心距，從而使齒側(cè)間隙大小發(fā)生變化，達(dá)到側(cè)隙均勻一致并符合設(shè)計(jì)要求的目的。

（3）兩齒面接觸率的檢查與調(diào)整 具體如下所述。

1）接觸斑點(diǎn)按標(biāo)準(zhǔn)[4]中表9規(guī)定，接觸斑點(diǎn)分布趨近于齒輪中部，該齒輪為IT7級(jí)精度，沿齒高＞45%，沿齒長(zhǎng)＞60%為合格。

2）接觸斑點(diǎn)的檢測(cè)，裝配后人工盤(pán)動(dòng)減速機(jī)高速軸使小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在小齒輪上涂紅丹粉，厚度應(yīng)均勻適當(dāng)，盤(pán)車(chē)后、觀察大齒輪齒面的著色率是否滿(mǎn)足1）中的要求。

3）接觸斑點(diǎn)檢測(cè)不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可將人字小齒輪兩端軸承座高度適當(dāng)調(diào)整為傾斜狀態(tài)，或?qū)⑷俗中↓X輪兩端軸承座通過(guò)頂絲適當(dāng)調(diào)整左旋或右旋端與大齒輪的中心距。這兩種調(diào)整方法均為微調(diào)，可以以磁座百分表為定位基準(zhǔn)，每次0.05mm進(jìn)給量逐漸調(diào)整，直到接觸斑點(diǎn)向合格方向改善為止。

5.4 跑合試驗(yàn)

跑合試驗(yàn)是檢驗(yàn)裝配精度的有效手段之一，驗(yàn)證了裝配誤差是影響齒輪嚙合性能的關(guān)鍵因素， 接觸印痕和傳動(dòng)誤差比較完整地表達(dá)了齒輪副在空載或輕載下的嚙合性能[5]；與跑合試驗(yàn)相關(guān)的零部件裝配并緊固合格后，將跑合工裝的大帶輪與減速機(jī)高速軸聯(lián)軸器組裝在一起，減速機(jī)內(nèi)加注足量潤(rùn)滑油（牌號(hào)見(jiàn)說(shuō)明書(shū)），通電運(yùn)行（見(jiàn)圖6）。

跑合試驗(yàn)由低速到高速分段進(jìn)行并記錄分析，檢測(cè)大小齒輪的嚙合精度、軸承溫升、嚙合噪聲及整體振動(dòng)量等參數(shù)以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；運(yùn)行期間，人員與旋轉(zhuǎn)的零部件保持安全距離，測(cè)試電工安全操作控制柜，做到隨時(shí)控制電動(dòng)機(jī)起停，保障試驗(yàn)安全。

跑合效果的檢查應(yīng)停機(jī)后進(jìn)行，檢測(cè)人字齒嚙合情況。如齒形不符合要求而造成嚙合過(guò)緊，可適當(dāng)加大中心距0.1mm，必要時(shí)可加上研磨劑（如金剛砂），再次跑合試驗(yàn)。調(diào)整齒輪嚙合時(shí)，有時(shí)需要反復(fù)進(jìn)行幾次，才能達(dá)到人字齒輪的嚙合松緊適度。調(diào)整好后，應(yīng)擰緊各螺栓，再進(jìn)行跑合，檢測(cè)跑合效果。

多次跑合、調(diào)校后的齒輪嚙合需達(dá)到下列要求：①齒輪間嚙合的接觸面和齒側(cè)隙應(yīng)符合技術(shù)要求。②用手盤(pán)動(dòng)時(shí)不應(yīng)費(fèi)力或感覺(jué)忽松忽緊。③運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、無(wú)異常雜音[5]。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)該2000t造船門(mén)式起重機(jī)上下小車(chē)共5臺(tái)卷筒人字齒輪的裝配實(shí)踐，其裝配過(guò)程、檢測(cè)手段和跑合試驗(yàn)，證明了裝配工藝及其工裝具有裝配效率高、裝配質(zhì)量好、裝配過(guò)程簡(jiǎn)單及安全可靠等優(yōu)點(diǎn)；解決了大型開(kāi)式裝配結(jié)構(gòu)人字齒因裝配變形大而導(dǎo)致嚙合精度不易調(diào)整的難題，使最終驗(yàn)收結(jié)果前置，減少現(xiàn)場(chǎng)裝配和調(diào)試時(shí)間，生產(chǎn)效率高；既節(jié)省制造工期，又降低了成本，裝配質(zhì)量得到了有效保證，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得推廣應(yīng)用。