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设计和制造高度专业化的齿轮和变速箱
作者:RedViking
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齿轮/蜗轮蜗杆展厅
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在动态测试系统中,高度专业化的方案需要十二个步骤去执行。

当为动态测试系统应用设计通用齿轮和变速箱时,有时候需要高度专业化的解决方案,而不是现成的选项。为了保证工作年限,确保测试对象的精确评估是精确拍照的、不受测试机器本身的影响,必须要执行严谨的设计和制造过程。以高度专业化的方式设计的测试机器变速箱时,操作错误会导致过早损坏,及不正确的结果。最起码,在这些情况下,非常严格的、高度工程化的解决方案很重要:

◆动态测试系统的速度和扭矩要求,把作业适用范围推向极致
◆齿轮的性能决不能对测试样品已记录的性能产生影响

需要执行12 个严谨的步骤,来确保动态测试系统有长久、无故障的机器寿命。

1. 评估设计准则和几何约束

客户创建的工作范围或者基于机器最终用途的性能要求,内部创建的文档奠定了项目的基础。

2. 计算速度,转矩和负载

测试设备的功能是,在仿真操作条件下,也就是预先设置的周期,或直到失败的条件下,通过一定范围内的扭矩或者其他负载,提供施加到转速上一定范围内的输出。如果提供值未在工作范围内,速度、扭矩和负载值应该由机器要求决定。

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润滑喷雾杆

每个中间轴转速和传送的负载必须这样估算得出:确保齿轮、轴、轴承能在机器期望寿命的极限条件下继续工作。为每个齿轮及轴绘制图表,直到延伸到输入接口,通常依发动机的大小而定,并加以应用。

从输入到输出,影响齿轮啮合数目的因素,包括输出速度和每个啮合实际比率的改变,以及测试样品的几何约束。实现输出定位的齿轮阶数或者啮合的数目决定了型号、形状,及变速箱体的设计和安装注意事项。

3. 确定齿轮轴的设计和支持

这个步骤的设计过程对保证高效、安定可靠的变速箱寿命至关重要。工程设计团队进行计算和检测,然后先进的分析团队对精度和完备性进行验证。

工程师为每一个齿轮接口都绘制了受力图,确保要施加的力量都施加上了,并充分理解。然后分析这些外力对元件操作的影响。

专用和商用工程工具用来对以下元素提供了利用价值和验证:

◆齿轮齿根应力
◆弯曲应力
◆啮合系数
◆模块的选择
◆螺旋角度
◆齿轮表面宽度要求
◆轴挠度
◆轴疲劳限制与利用
◆尺廓修形及鼓形修整
◆横向和扭转振动分析

4. 选择轴承和支架

轴承的选择是一个迭代的过程,被步骤三的很多计算因素影响。受力图和转速决定的轴向力、径向力发挥了作用,对轴承选择过程产生了很大影响。但是,其他因素,例如几何约束决定的齿轮和轴尺寸、要求的设计使用年限(L10 寿命)、轴承易于取材和成本,这些都在最终选择决定中扮演了重要的角色。

要发挥实际设计因素的作用,例如易于装配和拆卸、轴承安装和预装,以及向轴承提供合适润滑的能力。

5. 确定齿轮、轴制造方法和材料

现在需要确定,齿轮是否从轴分离、按轴调整,或者和轴是一个整体。齿轮加工过程的决定要根据这些因素确定:齿轮材料(通常是飞机优质8620 或者9310 钢)、渗碳和热处理规范、齿轮磨削要求、各向同性超精加工要求,以及齿轮、轴平衡的规范。

所有生产出来的齿轮,必须附有材料合格证、热处理证书、磨削轮廓图、酸洗和磁粉探伤法报告,以及尺寸检查报告。结合这个文档,每个齿轮都有一个独一无二的生产历史记录。

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齿轮印痕图形分析

6. 评估和验证设计和结构

每个变速箱的设计,通常由测试机器的几何约束或应用——大多数情况下输入和输出要求的位置、需要贯穿输入和输出的中心齿轮轴的数目——来确定。机器的功能将会决定变速箱构造的复杂性,在变速箱材料选择中是一个重要的因素。

且不论材料的选择,所有的变速箱必须经历完整的有限元分析(FEA)和模态分析。执行有限元分析(FEA),确保变速箱构造满足机器的要求时,表现得足够鲁棒,要充分考虑轴承分离力,所有外部的负载和作用力。执行模态分析的目的,是确保变速箱的固有频率要落在机器性能极限操作范围之外。

7. 估算润滑要求

齿轮和轴承应该进行喷射润滑。所有的轴承和齿轮应该利用可互换的润滑孔,在不拆卸变速箱的情况下,很容易地进行更换及流量调节。

要进行计算,确保加在轴承上的润滑油满足或者超过制造商规定的、进行适当润滑渗透要求的润滑产品速度参数。计算由于高温导致的轴承损耗,这一损耗在为流动和冷却设计的总体润滑油系统设计中,变成了影响因素。计算齿轮润滑油喷嘴的大小,确保所有的齿轮一直到齿根部,都能获得充足的润滑油流量,以及合适的流量来进行流量排出。

所有上述的计算结果合并起来,确定中央润滑系统的流、压强和冷却要求。

8. 建立安装过程

变速箱设计必须实用,并且鲁棒。合适的设计,不仅要考虑到易于安装,而且必须提供发生故障,更换元件时易于拆卸的特性。进行目视检查和维护的维修面板,在维修时能把拆卸最小化。

9. 估算效率

变速箱效率决定功率损耗,功率损耗转化成了热量,必须由润滑系统的冷却热交换器排出。效率估算也会确保输入马达能提供充足的功率,克服损耗,送出正确的变速箱输出功率。

10. 设计工具和布线位置

变速箱必须彻底的仪表化,这样轴承和齿轮的健康程度能一直被监测。这提供了一个故障排除的工具,以及潜在问题的早期警告系统。

所有的轴承装置,必须配有能向主控制器报告轴承操作温度、监测系统的热电偶。超出可接受温度范围之外的任何偏移,必须启动报警信号,启动潜在的机器关机。记录趋势数据,研究每个轴承的长期性能。

输入和输出轴、固定和浮动的轴承组件,必须配备加速计测量轴振动。齿轮之间的加速计、顺序操作,就能最好地测试出最大值。加速计信号还会发送给主控制系统超出范围的值,引起警报,关闭机器操作。趋势数据作为信息,被保存起来。

11. 完整的组装检验文件

每个变速箱的完整的检验文件,必须在组装之前提前准备好。这些报告包括每个轴承、轴和齿轮特定的信息,技术参数。诸如轴向间隙、齿侧间隙、轴承预压和间隔数据的信息被记录下来,与可接受的值进行比较。

对于确认各种各样的完备性和检测检验来说,组装确认是必须的。烟雾发生器被用来确认流过管道和孔的润滑油流,以监测泄露。监测的结果被记录下来。一部分检验报告被用来记录齿轮接触印痕图形,另一部分记录在空载状态,及在25%、50%、75% 及满负载情况下的轴承温度,加速计读数。这些报告记载了基准性能,确保变速箱正确、完整地被装配,在机器投入日常使用后,为故障排除提供参考数据。

12. 执行最终的验收测试

在设备装运给客户之前,已经建立好了验收测试计划,测试计划的全部参数都必须要满足。通常,设备性能指标决定了验收测试的要素。

齿轮箱对总体的设备性能没有任何的负面影响是非常重要的。这是通过严格按照上面的齿轮箱设计步骤来实现的。

了解更多关于CSIA(控制系统集成商协会)

RedViking是控制系统集成商协会(CSIA)的会员,该协会帮助行业实现低风险、安全、成功的自动化技术的应用。CSIA帮助其成员改进商业技能,提供一个论坛来共享行业经验,推动业务管理的最佳实践。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2015-9-5)
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