□ 陳宗瑞 □周 偉 □陳柏宇

1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇常州 2130112.中車株洲電力機車研究所有限公司 湖南株洲 4120003.武進星河實驗小學教育集團 江蘇常州 213011

1 研究背景

隨著國家風電政策調(diào)整,市場需求發(fā)生了巨大變化,未來,風電機組技術(shù)將向大功率和海上應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展[1],4 MW～7 MW風電機組將成為主流機型[2]。根據(jù)主傳動鏈的特點,風電機組可分為高速雙饋風電機組、半直驅(qū)風電機組、低速永磁風電機組。其中，高速雙饋風電機組占據(jù)大部分市場份額,是主流技術(shù)。高速雙饋風電機組主傳動鏈結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，AC/DC為輸入交流電源轉(zhuǎn)直流電源，DC/AC為直流電源轉(zhuǎn)交流電源輸出。

▲圖1 高速雙饋風電機組主傳動鏈結(jié)構(gòu)

齒輪箱作為高速雙饋風電機組的核心部件[3],行業(yè)內(nèi)多采用兩級NGW行星輪系加一級平行軸結(jié)構(gòu)[4]。行星齒輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。通常將行星齒輪支承軸承通過過盈配合安裝在行星齒輪內(nèi)部,將行星齒輪內(nèi)孔設(shè)計為支承軸承的軸承座。在實際使用中，行星齒輪受載后會發(fā)生傾斜、扭曲等多種形式的彈性變形,進而導致行星齒輪軸承外圈發(fā)生竄動、打滑,嚴重降低傳動系統(tǒng)的承載能力,并會產(chǎn)生異常振動、齒輪間異常嚙合，甚至會使軸承碎裂、輪齒斷裂,從而降低傳動系統(tǒng)的可靠性[5-6]。

▲圖2 行星齒輪結(jié)構(gòu)

隨著風電機組功率的提高,工作載荷大幅增大,為了解決行星齒輪軸承外圈竄動問題,同時提高軸承的承載能力,減小齒輪箱徑向尺寸，提高齒輪箱傳遞功率能力,多家公司采用無軸承外圈的行星齒輪與軸承集成設(shè)計方案,將行星齒輪內(nèi)孔設(shè)計為錐孔，作為軸承外圈。為了更好地控制行星齒輪與軸承的工作狀態(tài),對行星齒輪軸承采用負游隙設(shè)計。無外圈圓錐軸承行星齒輪集成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

▲圖3 無外圈圓錐軸承行星齒輪集成結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)有技術(shù)中,對于小錐孔結(jié)構(gòu)零件的磨削加工，一般選擇塞規(guī)進行在線測量。通過目測塞規(guī)錐面的接觸面積和塞規(guī)端面與工件端面的高度差，計算出加工余量,來保證錐孔的加工精度要求。但是，對于大錐孔結(jié)構(gòu)的零件，上述常規(guī)塞規(guī)測量方法無法滿足測量要求,主要原因是塞規(guī)由于自身重力在測量過程中會產(chǎn)生操作誤差,影響實際測量結(jié)果。另一方面，通過目測判斷，要求操作人員具備豐富的工作經(jīng)驗,生產(chǎn)效率較低。對此，筆者通過對行星齒輪錐孔在線測量技術(shù)進行研究,提出一種大錐孔結(jié)構(gòu)零件在線磨削加工測量的新方法。

2 行星齒輪參數(shù)

以某大功率風電機組齒輪箱為例,行星齒輪精度等級為ISO 1328標準中的5級，主要參數(shù)見表1。

表1 行星齒輪主要參數(shù)

3 行星齒輪技術(shù)要求

行星齒輪采用18CrNiMo7-6低碳合金鋼制造[7],齒輪齒面洛氏硬度(HRC)為58～62,齒輪芯部洛氏硬度(HRC)為30～45[8],齒面有效滲碳層深為3.5～4.0 mm[9]。行星齒輪內(nèi)孔，即軸承滾道的洛氏硬度(HRC)為56～60,內(nèi)孔表面最小有效硬化層深不小于3.0 mm,內(nèi)孔圓錐角為34°±0.011°,內(nèi)孔表面粗糙度Ra為0.3 μm[10],內(nèi)孔圓度小于0.005 mm,內(nèi)孔直線度小于0.004 mm,不允許有凹面。行星齒輪結(jié)構(gòu)如圖4所示。

▲圖4 行星齒輪結(jié)構(gòu)

4 測量工裝

測量工裝由圓柱塞規(guī)和大、小標準量球組成,如圖5所示。為減輕圓柱塞規(guī)的重力，便于操作,圓柱塞規(guī)可設(shè)計為空心,外形尺寸與測量孔徑尺寸相匹配,長度一般超出被測孔徑端面10～100 mm。標準量球直徑分別選取14 mm和18 mm。

▲圖5 測量工裝

5 測量方法

5.1 行星齒輪找正

將行星齒輪裝夾在立式磨床工作臺上,如圖6所示。將百分表靠在內(nèi)孔A上,通過旋轉(zhuǎn)工作臺來檢驗內(nèi)孔A的軸線與工作臺的垂直度。旋轉(zhuǎn)工作臺，百分表無變化，表示內(nèi)孔A軸線與工作臺垂直,此時完成行星齒輪的正確裝夾。

▲圖6 行星齒輪裝夾

5.2 加工測量基準

用砂輪磨削錐孔B的端面，保證端面與工作臺的平行度,并作為測量基準。

5.3 加工錐孔錐度

將砂輪架角度調(diào)整至17°后，開始對錐孔B進行磨削加工。如圖7所示，待錐孔B表面加工完成后,將圓柱塞規(guī)放入內(nèi)孔A內(nèi),并調(diào)整至合適位置，保證圓柱塞規(guī)與行星齒輪內(nèi)孔A同軸。

5.4 在線測量錐度

沿圓柱塞規(guī)外圓軸向，在圓柱塞規(guī)與錐孔B之間放入大、小標準量球,分別測量小標準量球頂端與圓柱塞規(guī)上端面距離Hd、大標準量球頂端與圓柱塞規(guī)上端面距離HD，通過式(1)計算行星齒輪內(nèi)孔圓錐角。

(1)

式中:α為1/4行星齒輪內(nèi)孔圓錐角;D為大標準量球直徑;d為小標準量球直徑。

▲圖7 錐角在線測量方法

5.5 復(fù)核大端直徑

在錐度滿足設(shè)計要求后,還需要校核錐孔的大端直徑或錐孔深度是否滿足設(shè)計要求。行星齒輪錐孔大端直徑φ1為：

(2)

式中:φ2為圓柱塞規(guī)外徑;h為圓柱塞規(guī)端面至行星齒輪端面的距離。

判斷行星齒輪內(nèi)孔錐度是否達到加工精度要求,需要在錐孔圓周至少測量四次。計算得到的錐角和大端直徑均滿足設(shè)計公差要求,才能證明加工的內(nèi)孔錐角滿足設(shè)計要求,進而完成行星齒輪內(nèi)孔錐度的磨削加工和在線測量。

6 結(jié)束語

筆者對大錐孔結(jié)構(gòu)零件中錐孔的在線測量方法進行了研究，介紹了大錐孔錐度和大端直徑在線測量方法，操作方便，并且強度低。測量時，可以充分利用生產(chǎn)中現(xiàn)有的量具,不需要特殊定制。測量裝置結(jié)構(gòu)簡單,可以避免特殊量具在組裝過程中產(chǎn)生的誤差。工件一次裝夾即可加工到位,調(diào)試方便,節(jié)省了加工時間,并能保證錐孔的相關(guān)尺寸精度要求,具有較好的推廣價值。