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技师专业论文

工种：装配钳工

龙门式加工中心变速箱运转可靠性的探讨

作 者：赵刚
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等 级：技师
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完成时间：

目 录

目 录…………………………………………………………………………………………1

一、摘 要……………………………………………………………………………………2

二、引 言……………………………………………………………………………………2

三、变速箱结构形式特点 …………………………………………………………………2

四、机床运转可靠性检验 …………………………………………………………………2

五、如何提高变速箱运转的可靠性 ………………………………………………………2
一） 变速箱箱体精度检验 ……………………………………………………………2
二） 传动轴精度检验 …………………………………………………………………3
三） 传动轴动平衡检验 ………………………………………………………………3
四） 齿轮静平衡检验 …………………………………………………………………5
五） 变速箱空运转试验 ………………………………………………………………7
六） 变速箱运转试验情况记录分析 …………………………………………………8

六、结束语 …………………………………………………………………………………10

七、参考文献 ………………………………………………………………………………10

一、摘要
分析龙门式加工中心变速箱结构形式，通过进行箱体和传动轴精度测量、传动轴动平衡检验、齿轮静平衡检验、空运转试验的方法，提高变速箱的可靠性，使得机床在总装运转调试时，一次性通过检验合格，达到缩短装配周期，提高产品质量，降低机床故障率的目的。

二、引言
龙门式加工中心是在我公司成熟设计、制造及装配大型龙门加工中心的基础上，通过引进、优化、吸收国外龙门加工中心的先进制造技术而开发的产品。龙门式加工中心是一种高刚性、高精度、高效率的金属加工机床。零件经一次装夹后，工序高度集中，可完成除安装底面外的其余各面及孔系的加工，确保被加工零件的各面、孔之间的加工精度及几何位置精度，不需要工件翻转及多次装夹而造成的定位误差及变形，是加工关键重型工件如：床身、立柱、大型箱体、板类及其它加工精度要求较高零件的理想设备。

三、变速箱结构形式特点
机床采用交流伺服电机作为主轴动力源，通过变速箱内的齿轮减速机构，实现主轴低速运转进行大扭矩切削，以及高速恒功率切削。该机床主轴转速在10-2000r/min，最大输出扭矩3000N.m最大轴向抗力35000N，主电机功率60Kw。
变速箱通过液压油缸连接拨叉带动变档齿轮滑移实现三级变速，主轴转速范围为低档10-295r/min；中档296-714r/min；高档715-2000r/min。变速箱内按传动顺序分为I轴、II轴、III轴，其中I轴与主电机通过联轴节直连，利用两个传动齿轮进行转速和扭矩传递；II轴是中间传动轴，通过四个传动齿轮实现低、中、高三个转速档位以及空档之间的转速变化；III轴是最终传动轴，与滑枕内主轴连接实现转速扭矩输出，III轴安装一个双联齿轮，通过拨叉控制双联齿轮滑移实现变档。

四、机床运转可靠性检验
机床进行整机空运转检验时，需要检验机床变速箱在各级转速条件下的温升、噪音、振动等项目。变速箱内部采用稀油润滑和冷却，为各支撑轴承和传动齿轮进行润滑和冷却，运转时利用测温仪检验变速箱油窗处和靠近支撑轴承处箱体表面的温升情况；主轴箱运转的噪音情况，利用噪声仪进行测量；如出现明显振动现象，可以利用振动分析仪进行检测。
在各级转速运转过程中，主电机、变速箱体、油窗处的温度不应超过50℃，温升不允许超过30℃；齿轮啮合传动不应出现异常声音或间断性声音现象，噪声声压级不超过70dB（A）；变速箱应平稳运转，不应出现异常振动现象，需特别注意高转速时的振动情况。

五、如何提高变速箱运转的可靠性
我们通过以下几个方面来提高变速箱运转的可靠性：
一）变速箱箱体精度检验
变速箱安装传动轴位置的对应配合孔之间的同轴度和位置度超差，将影响传动轴上齿轮的啮合情况，变速箱运转时将出现振动和噪音现象。
变速箱箱体支撑传动轴的配合孔的同轴度误差，技术要求不大于0.01；变速箱箱体是在卧式加工中心一次装夹后镗削加工各孔。根据技术图纸精度要求，我们利用三坐标精度检验仪进行各孔的同轴度及位置度的检测工作，确保变速箱箱体各项精度满足技术要求。

二）传动轴精度检验
变速箱内各传动轴与齿轮均采用内定心花键联结，所以传动轴花键内径的径向跳动误差和齿轮的径向综合性误差，影响相邻传动轴之间的齿轮啮合情况。如果以上两误差值较大时容易出现齿轮啮合噪音现象。
在实际装配过程中，我们可以将齿轮与传动轴结合，通过检验齿轮的径向跳动来间接测量以上两误差的累加值。传动轴花键的径向跳动误差可根据花键内径来确定，齿轮的径向综合性误差可根据齿轮的精度等级、法向模数、分度圆直径来确定。
齿轮径向综合性误差：被测齿轮与理想精确的测量齿轮双面啮合时，在被测齿轮一转内，两齿轮中心距的最大变动量

传动轴精度检验示意图

三）传动轴动平衡检验
传动轴自身的残余不平衡量超差时，在运转时将出现振动，从而带动变速箱振动。所以，我们将变速箱内各传动轴进行动平衡分析，利用动平衡检验仪进行检验，通过去重的方法降低残余不平衡量。
I轴：
1、计算平衡参数：

平衡等级G2.5 最高转速n：3000r/min 传动轴重量M：9kg
平衡方式：动平衡
允许的不平衡度εPER= SuΩo ，其中根据平衡等级G2.5查出Su=2.5mm/s；Ωo=2pn/60
传动轴允许的残余不平衡量计算：
UPER=εPERM = SuΩo X M = 2.5X602X3.14X3000 X9X1000 = 71.66 gmm

I轴动平衡示意图

a：支撑点到修正面1的距离为75mm；
b：支撑点到修正面2的距离为210mm；
c：支撑点到传动轴重心的距离为160mm；
l：两支撑点之间的距离为250mm;
r1：修正面1的半径为87mm；
r2：修正面2的半径为130mm。
由此我们可以计算两修正面的允许残余不平衡量UP1和UP2
UP1 = b-cb-c+(c-a) UPER = 210-160210-160+(160-75) X 71.66 gmm = 24.71 gmm
UP2 = c-ab-c+(c-a) UPER = 160-75210-160+(160-75) X 71.66 gmm = 46.95 gmm
根据两修正面的半径r1、r2和允许残余不平衡量UP1、UP2，我们可以计算修正面上允许的最大不平衡重量M1、M2，通过加重或者去重的方法进行动平衡。
M1 = UP1/r1 = 24.71/87 = 0.28g
M2 = UP2/r2 = 46.95/130= 0.36g
2、利用平衡仪进行检测：
在传动轴靠近仪器探头一端标记0度位置；
输入以下5个参数：修正面1的半径r1=87mm；修正面2的半径r2=130mm；支撑点到修正面1的距离a=75mm；两修正面之间的距离b-a=135mm；修正面2到另一支撑点的距离l-b=40mm；
输入两修正面的允许残余不平衡量UP1和UP2值；
输入运转速度为500r/min；
当操作面板显示的转速稳定后，系统自动计算出在两修正面位置需要加重的质量和角度。
根据加重质量和角度，利用橡皮泥在两修正面位置加重；
重复以上步骤再次检验，直至两修正面的不平衡量小于允许残余不平衡量UP1和UP2；
利用天平测量加重橡皮泥的重量；
利用Ø10钻头在对称180度位置钻孔去重，每个钻孔深度不超过8mm。
II轴：
1、计算平衡参数：
平衡等级G2.5 最高转速n：1000r/min 传动轴重量M：20kg
平衡方式：动平衡
允许的不平衡度εPER= SuΩo ，其中根据平衡等级G2.5查出Su=2.5mm/s；Ωo=2pn/60
传动轴允许的残余不平衡量计算：
UPER=εPERM = SuΩo X M = 2.5X602X3.14X1000 X20X1000 = 477.71 gmm

II轴动平衡示意图

a：支撑点到修正面1的距离为82mm；
b：支撑点到修正面2的距离为268mm；
c：支撑点到传动轴重心的距离为190mm；
l：两支撑点之间的距离为490mm;
r1：修正面1的半径为219mm；
r2：修正面2的半径为121mm。
由此我们可以计算两修正面的允许残余不平衡量UP1和UP2
UP1 = b-cb-c+(c-a) UPER = 268-190268-190+(190-82) X 477.71 gmm = 200.33 gmm
UP2 = c-ab-c+(c-a) UPER = 190-82268-190+(190-82) X 477.71 gmm 277.38 gmm
根据两修正面的半径r1、r2和允许残余不平衡量UP1、UP2，我们可以计算修正面上允许的最大不平衡重量M1、M2，通过加重或者去重的方法进行动平衡。
M1 = UP1/r1 = 200.33/219= 0.91g
M2 = UP2/r2 = 277.38/121= 2.29g
2、利用平衡仪进行检测：
检测方法可参考I轴动平衡检测方法。

四）齿轮静平衡检验
III轴：
1、计算平衡参数：
平衡等级G2.5 最高转速n：2000r/min（双联齿轮）、800r/min（变档齿轮） 齿轮重量M：2.5kg（双联齿轮）、2.6kg（变档齿轮）

平衡方式：静平衡
说明：由于双联齿轮在传动轴上进行滑移，所以只对双联齿轮进行静平衡检测；变档齿轮与传动轴之间通过滚动轴承连接，同样对变档齿轮进行静平衡检测，且检测时需将双联齿轮滑移到变档齿轮中，与变档齿轮内齿相啮合，分别检测回转方向8个均布位置啮合时的静平衡情况，根据平衡机上的最大检测值进行减重处理。
允许的不平衡度εPER= SuΩo ，其中根据平衡等级G2.5查出Su=2.5mm/s；Ωo=2pn/60
双联齿轮允许的残余不平衡量计算：
UPER双联=εPERM = SuΩo X M = 2.5X602X3.14X2000 X2.5X1000 = 29.86gmm
双联齿轮与变档齿轮啮合后，允许的残余不平衡量计算：
UPER变档=εPERM = SuΩo X M = 2.5X602X3.14X800 X（2.5+2.6）X1000 = 152.27gmm

齿轮静平衡示意图

r1：双联齿轮修正面的半径为150mm；
r2：变档齿轮修正面的半径为200mm。
根据两修正面的半径r1、r2和允许残余不平衡量UPER双联、UPER变档，我们可以计算修正面上允许的最大不平衡重量M1、M2，通过加重或者去重的方法进行动平衡。
M1 = UPER双联/r1 = 29.86/150 = 0.2g
M2 = UPER变档/r2 = 152.27/200= 076g
2、利用平衡仪进行检测：
双联齿轮静平衡：
在传动轴靠近仪器探头一端标记0度位置；
将双联齿轮移动到上图所示位置（最左端）；
输入以下参数：修正面的半径r1=150mm；平衡位置为最左端；
输入修正面的允许残余不平衡量UPER双联值；
输入运转速度为500r/min；
当操作面板显示的转速稳定后，系统自动计算出在修正面位置需要加重的质量和角度。
根据加重质量和角度，利用橡皮泥在修正面位置加重；
重复以上步骤再次检验，直至修正面的不平衡量小于允许残余不平衡量UPER双联；
利用天平测量加重橡皮泥的重量；
利用Ø10钻头在对称180度位置钻孔去重，每个钻孔深度不超过8mm。
变档齿轮静平衡：
在传动轴靠近仪器探头一端标记0度位置；
将双联齿轮移动与变档齿轮相啮合的位置（最右端），标记圆周位置，以便分为8个位置检测；
输入以下参数：修正面的半径r2=200mm；平衡位置为最右端；
输入修正面的允许残余不平衡量UPER变档值；
输入运转速度为500r/min；
当操作面板显示的转速稳定后，系统自动计算出在修正面位置需要加重的质量和角度。
根据加重质量和角度，利用橡皮泥在修正面位置加重；
重复以上步骤再次检验，直至修正面的不平衡量小于允许残余不平衡量UPER变档；分别选取均布的8个位置进行检测，计算平均值进行加重处理；
利用天平测量加重橡皮泥的重量；
利用Ø10钻头在对称180度位置钻孔去重，每个钻孔深度不超过8mm。

五）变速箱空运转试验
在变速箱部装工序完成以后，通过变速箱运转试验，检验变速箱空运转的可靠性。我们设计专用试验台，用于安装固定变速箱；并设计液压管路系统，用于控制变档油缸动作；利用恒温油箱为变速箱提供润滑油和冷却油；通过电气系统实现变速箱的转速控制。
变速箱试验台立体示意图

试验台液压功能：
变速箱润滑冷却循环油路：恒温油箱→变速箱箱体→分油器→变速箱内各润滑冷却点→变速箱箱体→恒温油箱
变速箱液压控制油路：液压泵站→控制阀组→变档油缸
高档：油路1进油， 2、3卸油
中档：油路1、3进油，油路2卸油
低档：油路2进油，油路1、3卸油

变档油缸刨面图

变速箱运转试验台液压原理图

变速箱在以下转速时进行检验：
低档：100r/min、250r/min
中档：350r/min、500r/min、650r/min
高档：750r/min、900r/min、1100r/min、1300r/min、1500r/min、1700r/min、1850r/min、2000r/min
噪音、振动、温升检验要求：
分别在各级转速进行检验，各转速运转时间约5分钟-10分钟，最高转速不低于10分钟，注意观察变速箱油位窗液面高度（不低于1/4）。
在各转速运转过程中，齿轮啮合传动不应出现异常声音或间断性声音现象，噪声声压级不超过70dB（A）。
在运转过程中，手触主电机外壳、变速箱外壁（靠近传动轴位置），在各转速下变速箱应平稳运转，不应出现异常振动现象，特别注意在高转速时的振动现象。
在各转速运转过程中，主电机、变速箱体、油窗内温度不应超过50℃，温升不超过30℃。

六）变速箱运转试验情况记录分析（抽查三台份）
第一台检验情况：
部装空运转试验情况：
变速箱在10-2000r/min三档变速，噪音、振动、温升均符合检验要求。
总装空运转试验情况：
主轴转速在1500r/min变速箱出现振动现象。
分析原因：
可能滑枕内主传动轴在高转速时出现不平衡现象，带动变速箱内传动轴振动。
解决方案：
拆卸变速箱和滑枕内主轴，重新对滑枕内主传动轴进行动平衡；为了排除变速箱自身振动原因，再次使用试验台进行运转检验。
实验结果：
滑枕内主传动轴在高转速出现振动是由于采用国产旧主轴，高转速时动平衡检测不合格，重新更换进口主轴并进行动平衡检测后安装，噪音、振动、温升均符合检验要求。
综述：
实验证明此次变速箱在部装进行空运转试验可以保证检验要求。

第二台检验情况：
部装空运转试验情况：
变速箱在1000r/min高档转速时，与电机连接传动轴处出现振动现象。
分析原因：
与电机相连传动轴存在不平衡现象；与电机连接的联轴器质量问题。
解决方案：
对传动轴进行动平衡检验；检验联轴器同轴度误差。
实验结果：
传动轴动平衡符合要求，引起振动原因主要是由于联轴器存在质量问题，两对称孔同轴度误差较大，更换联轴器，再次进行变速箱空运转试验符合检验要求，总装空远转试验同样符合检验要求。
综述：
实验证明联轴器精度误差较大影响变速箱运转情况。

第三台检验情况：
部装空远转试验情况：
变速箱在空运转过程中，出现噪音现象；高转速时，与电机连接传动轴处出现轻微振动现象。
分析原因：
传动轴齿轮啮合不好，出现噪音；传动轴残余动平衡量误差大。
解决方案：
对传动轴上齿轮啮合处齿边修整、倒钝；传动轴重新动平衡，降低残余动平衡量。
实验结果：
齿轮倒钝后噪音降低，各级转速下变速箱振动好转，均符合检验要求。总装空运转检验同样符合检验要求。
综述：
实验证明变速箱内齿轮啮合情况影响变速箱运转噪音情况；高速传动轴动平衡的残余动平衡需尽量控制较小值。

六、结束语
以上是龙门加工中心变速箱运转可靠性检验的过程，我们从零件的加工后精度检验，到变速箱装配过程中精度检验和平衡分析，以及部件装配后的运转试验，实现了机床变速箱在整个生产流程中的质量过程控制，大大提高了变速箱的可靠性，从而提高整机生产效率和产品质量，并降低了机床故障率，为我公司带来了很大的经济效益。

七、参考文献

1、《转子动平衡—原理、方法和标准》…………………………………………化学工业出版社
2、《机床设计手册》………………………………………………………………机械工业出版社
3、《现代数控机床设计》…………………………………………………………机械工业出版社
4、噪声声压级的测量方法 ……………………………………GB/T 16769-1997 金属切削机床
5、技术条件 ……………………………………………………JB/T 6600-1993 数控龙门镗铣床
6、机械加工件通用技术要求 ……………………………………JB/T 9872-1999 金属切削机床
7、装配通用技术条件 ……………………………………………JB/T 9874-1999 金属切削机床
8、液压系统通用技术条件……………………………JB/T 10051-1999 液压系统通用技术条件
9、数控龙门加工中心 制造与验收技术条件 ………………………………………厂标 T63-04

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