基于逆向工程的煤机减速器国产化开发与研究.pdf

圆园23 年第 3 期摘要院进口煤机减速器国产化势在必行,而传统的减速器开发方法存在设计阶段故障率高尧开发周期长尧制造成本高等问题遥 文中基于逆向工程袁探讨了进口煤机减速器国产化开发的流程袁并着重从减速器设计阶段的五个步骤袁即减速器边界参数的确定尧获取减速器零部件表面数据和性能数据尧三维建模尧虚拟装配和干涉检查等进行了分析袁总结了减速器国产化开发的关键技术袁形成了进口煤机减速器国产化开发的有效方法袁最后通过实例验证了减速器国产化开发方法的可行性和有效性遥关键词院减速器曰逆向工程曰国产化曰虚拟装配中图分类号院 TD407文献标志码院ADevelopment and Research on Localization of Coal Machine ReducerBased on Reverse EngineeringLIU Xiao-xia1,2,3(1.Taiyuan Research Institute袁 ChinaCoal Technologyand EngineeringGroup袁Taiyuan 030006,Shanxi曰2.ShanxiTiandiCoalMiningMachineryCo.,Ltd.,Taiyuan030006,Shanxi曰3.ChinaNationalEngineeringLaboratoryforCoal MiningMachinery,Taiyuan 030006,Shanxi)Abstract:The localization ofimported coalmachine reducer is imperative and the traditional reducer developmentmethod has the problems of high failure rate in the design stage,long development cycle and high manufacturing cost.Based on reverse engineering,this paper discusses the process of localization and development of imported coalmachine reducers.And focus on the five steps from the reducer design stage,the determination of the boundaryparameters of the reducer,the acquisition of the surface data and performance data of the reducer parts,the three-dimensional modeling,the virtual assembly and the interference inspection are analyzed.Summarizes the keytechnologies of the localization development of the reducer,and forms an effective method for the localizationdevelopment of the imported coal machine reducer.Finally,the feasibility and effectiveness of the localizationdevelopmentmethodofthe reducerare verified by an example.Key words:reducer曰reverseengineering曰localization曰virtualassembly基于逆向工程的煤机减速器国产化开发与研究刘小霞1,2,3渊中国煤炭科工集团太原研究院有限公司袁山西 太原030006曰2.山西天地煤机装备有限公司袁山西太原030006曰3.煤矿采掘机械装备国家工程实验室袁山西 太原030006冤1导言减速器作为煤矿机械设备的核心传动部件袁其质量直接影响着煤矿机械的可靠性和采煤效率遥中美之间的贸易摩擦和疫情对全球供应链的冲击袁使进口零件成本昂贵袁采购周期长袁严重制约着煤收稿日期院2023-02-28作者简介:刘小霞渊1987-冤袁女袁陕西榆林人袁工程师袁硕士袁研究方向院减速器国产化开发与研究遥57圆园23 年第 3 期凿岩机械气动工具渊总第 192 期冤图 1 减速器国产化开发流程炭企业的转型发展遥 因此袁以国家能源集团为代表的国有大型煤炭企业袁启动了野国产化战略冶袁大力推进进口减速器渊久益尧DBT尧艾柯夫尧贝克冤的国产化开发工作袁这就对减速器的开发周期和使用寿命提出了更高的要求遥传统的减速器研发流程中袁减速器在样机制造前无法进行直观评价和准确测试袁而设计缺陷具有从前向后的发散性袁导致减速器在设计阶段隐藏的问题不断被放大并带入制造过程中袁从而增加了整个减速器的开发周期和制造成本1遥据统计袁减速器在设计阶段决定了减速器 50%以上的制造成本袁产品质量问题的源头 70%来自产品设计缺陷袁20%来自制造袁10%来自量产的稳定性遥逆向设计与传统的正向设计相反袁即逆向设计是在现有产品的基础上进行有效的技术改进袁以提高产品的开发效率和整体性能遥本文基于逆向工程袁研究减速器的国产化开发袁既降低了进口煤机减速器的国产化开发周期袁同时也在消化吸收进口先进技术的基础上袁提高了进口煤机减速器的可靠性遥2 减速器国产化开发2.1 国产化开发流程减速器国产化开发流程包括设计尧 制造尧装配尧试验和定型五个阶段袁如图 1 所示遥2.2 减速器国产化开发的设计阶段渊1冤减速器边界参数的确定遥 减速器国产化开发是一项技术性很强的工作袁为了确保国产化开发的可靠性和实用性袁需要充分掌握减速器所属设备的使用工况尧性能参数尧边界条件等袁确定减速器的结构和边界参数如输入功率尧 输入转速尧输出功率尧输出转速尧接口连接尺寸等遥 边界参数与原机性能匹配才能满足整机的使用性能遥减速器边界条件过高会导致减速器性能设计要求提高袁造成减速器功能的浪费曰减速器边界条件过低则不能满足整机的使用遥渊2冤获取减速器零部件的表面数据遥 表面数据主要包括零部件的外形尺寸几何参数袁它们的获取是减速器开发的关键步骤袁直接影响零部件三维模型的准确性尧减速器预装配效果及使用效果等遥渊3冤获取减速器零部件的性能参数遥 性能参数主要包括零部件的材料信息尧成型方式尧加工精度等袁直接影响减速器的使用寿命遥渊4冤三维建模遥 三维模型重建有正向建模和反向建模两种袁 传统的正向建模方法是基于58圆园23 年第 3 期CAD二维矢量图袁 运用 SolidWorks尧CATIA 等建模软件进行模型重建曰反向建模是以非接触式方式扫描立体零部件获得大量点云数据袁通过对点云数据进行配准尧降噪尧提取尧封装等一系列操作构建三维模型袁该方法可对观测对象快速扫描测量袁以获取对象表面的三维点云数据袁具有非接触尧高精度等优点袁适合于复杂零部件的模型构建遥渊5冤虚拟装配遥在现代制造业中袁装配环节占整个产品制造生命周期的 40%60%袁 占制造总费用的 20%30%2遥利用虚拟装配技术开发减速器袁可实现减速器装配的透明化和智能化袁避免实体装配减速器造成的生产浪费袁及时发现减速器设计中的问题袁并指导减速器的实际装配遥渊6冤干涉检查遥减速器属于高级精密部件袁其设计精度和装配精度要求较高遥为了提高虚拟装配的真实性袁需要在装配过程中及时检测零部件的干涉情况袁 方便用户及时调整发生干涉的位置遥可应用 SolidWorks 软件中自带的工具进行干涉检查袁分析产生干涉的原因遥2.3 减速器国产化开发的其他阶段减速器国产化开发的样机制造尧检测试验和定型等阶段袁 因逆向工程技术参与或者应用较少袁本文不再涉及遥3 减速器国产化开发的关键技术3.1 减速器零部件表面数据的获取减速器零部件表面数据的获取袁就是使用测量设备袁采用特定的测量方式对零部件表面的形状尧位置信息进行采集的过程3遥目前常用的测量方式有两种袁 一种是借助传统测绘工具测量袁如使用游标卡尺尧深度尺尧千分尺尧公法线测量工具等曰另一种是借助三维测量技术遥 其中三维测量技术按照其实现方式可以分为两种4院接触式和非接触式遥接触式三维测量技术是利用测量仪器如三坐标测量机尧关节臂测量仪器袁逐点测量被测物体的具体位置袁直接读取测量数据袁包括零部件的几何参数信息和位置尧形状公差等数据袁具有精度高尧重复性好等优点遥但因其测量范围有限袁效率较低袁适用于减速器壳体中轴尧孔等的测量遥非接触式三维测量技术是对被测零件进行360毅全方位的测量袁包括零件的形状和位置的测量遥 如三维扫描技术袁是通过测量空间物体表面点的三维坐标值袁获取大量的点云信息袁并转化为计算机可以直接处理的三维模型5袁其测量精度可达 0.005 mm遥但是袁对于零部件有遮挡部位尧深孔等信息袁需要借助传统测绘工具测量遥 具体建模思路为院渊1冤零部件三维扫描曰渊2冤通过逆向软件对扫描模型的云点数据进行领域划分尧坐标系对齐等数据预处理曰渊3冤通过拟合尧草图绘制重建实体模型曰渊3冤重建模型和点云模型偏差分析曰渊4冤与 SolidWorks 接口关联袁在 SolidWorks 软件中实现减速器的虚拟装配遥3.2 减速器零部件的性能参数的获取减速器性能参数主要包括零部件的材料信息尧成型方式尧加工精度尧齿形标准等袁目前其获取方式常常依靠经验方法判断袁对于关键部位的零部件袁 可通过材质化验识别配件的材料成分袁考虑国内加工工艺尧热处理方式的差异袁该关键配件可选用接近或者更高性能的材质遥有以下经验可供参考遥渊1冤壳体遥 常规减速器壳体采用铸造成型方式袁对于结构复杂尧尺寸较大的减速器壳体可采用铸尧焊结合的方式遥渊2冤齿轮尧花键类零部件遥目前煤机设备常用的外齿轮材料有 20Cr2Ni4A 和 18CrNiMo7-6 两种渗碳镍铬钢袁常用的内齿轮材料有 42CrMo袁需基于逆向工程的煤机减速器国产化开发与研究59圆园23 年第 3 期凿岩机械气动工具渊总第 192 期冤表 1 齿轮类零部件的材料尧热处理尧加工精度等信息渗氮处理袁表 1 列出了齿轮尧花键类零部件在材料尧热处理尧加工精度等方面的信息遥渊3冤行星架遥 国外重载行星架通常采用等温淬火球墨铸铁铸造成形袁 受热处理工艺的制约袁国内通常采用锻造成型遥4 实例本文以山特维克掘锚机某机型运输减速器为例袁 说明减速器国产化开发流程和注意事项遥该减速器结构采用两级传动布置方式袁第一级为行星齿轮传动袁第二级为锥齿轮传动遥渊1冤减速器主要边界参数确定遥 分析山特维克掘锚机整机运输性能及电机驱动能力及国产化运输减速器的驱动方式尧输入额定功率尧输入转速和总速比等主要关键边界参数袁保证国产化运输减速器的关键边界参数能满足山特维克掘锚机整机运输性能遥该减速器的驱动方式为电机驱动袁经分析测量确定袁输入额定功率为 36 kW袁输入转速为 1450r/min袁输入扭矩为 237.10 N 窑 m袁输出转速为 174.96 r/min袁输出扭矩为 1965 N 窑 m袁减速器的传动比为 8.2875遥渊2冤减速器零部件表面数据性能参数的获取及三维建模遥掘锚机运输减速器共有 45 种配件袁其中标准件 27 种袁包括密封尧轴承尧螺栓尧O 型圈尧销轴等曰结构件 18 种袁包括减速器壳体尧轴尧齿轮尧轴承座等遥减速器的标准件可以按照配件的标准直接破译型号袁三维建模可以借助 SolidWorks的智能化标准零件库 Toolbox袁其提供了如ISO尧DIN等多标准的标准件库遥 利用标准件库袁设计人员不需要对标准件进行建模袁在装配中直接采用拖动操作就可在模型的相应位置装配指定类型尧 指定规格的标准件遥减速器的结构件三维模型可根据零部件表面数据获取的不同采用不同的建模方式遥 如直齿轮尧轴承座尧 轴等零部件可在 SolidWorks 软件中基于名称材料热处理硬度加工精度强度安全计算参考外齿轮20Cr2Ni4A 或18CrNiMo7-6渗碳袁深度为0.20.3mmHRC56626级接触强度安全系数 1.6 和弯曲强度安全系数 1.3 校核内齿轮42CrMo渗氮HV6006507级接触强度安全系数 1.6 和弯曲强度安全系数 1.3 校核花键轴42CrMo渗氮HV6006507级表 2减速器结构件的表面数据获取方式与三维建模方式名称数据获取方式三维建模方式壳体三维扫描仪逆向建模锥齿轮三维扫描仪逆向建模直齿轮卡尺测绘SolidWorks软 件 中 基 于 CAD二维矢量图正向参数化建模轴承座尧轴卡尺测绘SolidWorks软 件 中 基 于 CAD二维矢量图正向参数化建模标准件型号破译借助 SolidWorks 智能化标准零件库 ToolboxCAD二维矢量图正向参数化建模袁壳体尧锥齿轮等外形尺寸复杂的零部件可以采用逆向建模的方式遥表 2 为减速器结构件的表面数据获取方式和三维建模方式遥该减速器壳体外形结构复杂袁使用传统的测绘手段测绘难度大袁精度低袁测绘效率不高袁采用三维扫描技术袁 不但可以精确获取测量数据袁还可快速尧高效建立三维模型遥 图 2 至图 6 为减速器壳体从表面数据获取到逆向建模的流程图遥渊3冤 虚拟装配尧 干涉检查及强度验证遥 在60圆园23 年第 3 期图 2 在逆向软件中对三维扫描数据图面片切割尧对齐图 3 在逆向软件中获取数据特征图 4 逆向软件中的三维模型SolidWorks软件中将减速器零部件的三维模型按照装配的先后顺序预装配袁通过 SolidWorks 干涉检查工具检查零部件的装配效果袁对有干涉部分重新设计尧修改袁实现减速器装配体的零干涉遥对减速器零部件赋予不同的材质尧 热处理方式袁应用有限元分析软件对其进行强度分析袁满足设定的减速器边界条件即可转化成二维工程图纸遥渊4冤样机制造和检测试验遥 通过筛选优质的生产制造厂家和质量过程监控可实现样机制造质量的高可靠性遥 检测试验即是通过空载尧加载图 5 逆向模型与扫描实体校核图 6 逆向模型导入到 SolidWorks 中试验检测减速器的可靠性遥5 结论山特维克掘锚机某减速器的国产化开发袁从传统的 9 个月开发周期缩短至 5 个月袁开发周期缩短了 45%遥目前该减速器随掘锚机在神东某矿试用 12 个月袁减速器使用状况良好遥参考文献院1代明远袁王明江袁肖利伟袁杨文军.工程机械产品虚拟设计应用综述J.机械设计袁2020渊3冤院128-134.2 熊雄.汽车主减速器装配规划与虚拟装配技术的研究与实现D.武汉院武汉理工大学袁2020.3 卢聪.基于逆向工程的变速箱箱体 CAD 模型的重构研究D.广西院广西大学袁2016.4张国龙袁李胜军.三维测量技术在机械加工中的应用与发展J.仪器仪表与检测技术袁2018渊11冤院50-68.5俱英翠袁刘锡袁万曙雄.三维扫描技术在风电铸件尺寸检测中的应用J.现代铸铁袁2015渊3冤.基于逆向工程的煤机减速器国产化开发与研究61