造船門式起重機卷筒開式人字齒輪裝配工藝與工裝設計

李永福，張杰義，李靜宇

河南衛華重型機械股份有限公司 河南新鄉 453400

1 序言

隨著國際造船業的發展，船體體積逐漸增大，大型船體零部件制造產量提升，推動著造船門式起重機（簡稱“造船門機”）大型化的發展；其中卷筒直徑也逐漸增大、起升高度高，起升機構中多采用開式人字齒輪傳動，傳動具有承載能力高、傳動平穩和軸向載荷小等優點，在大型船舶、航空航天等重型機械傳動系統中發揮著重要作用[1]。但是，仍存在因齒輪直徑大、厚度小，導致裝配精度高、變形控制難度大及嚙合精度調整困難等問題。

2 人字齒輪卷筒裝配結構特點

如圖1所示，該造船門機的起升機構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應小齒輪嚙合，再與減速機、聯軸器和電動機等組合；左旋齒輪和右旋齒輪，兩齒輪旋向相反，其余技術參數均相同。大型人字齒輪裝配時，需要使相互嚙合的一對人字齒輪自然對中，彌補加工所帶來的誤差；在人字齒輪正確嚙合的情況下，一對左右旋齒輪所產生的軸向力可以相互抵消，但是，如果一對齒輪安裝調整不好，不能自由對中，就會出現齒輪單邊嚙合的現象，也嚴重降低人字齒輪傳動的穩定性和可靠性[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"，重載時會產生很大的軸向力，因此在裝配人字齒輪時，不僅要有一定的齒側間隙和齒頂間隙，對應嚙合的小齒輪軸還要有足夠的自由移動量，這樣才可以保證在嚙合過程中對稱線自然對中，否則就會出現嚙合不良、噪聲大等現象，情況嚴重時會使軸承發熱受損。

圖1 主卷筒起升機構平面布置與實物

卷筒是起重機產品上的重要零部件，單個卷筒質量32000kg，卷筒繩槽徑2800mm，需要裝配的左（右）旋齒輪外徑3700mm、內徑3190mm、厚度165mm，模數25mm，精度等級IT7，配對齒輪中心距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、大齒輪與小齒輪運轉精度是該起升機構裝配工藝的重點和難點，需要設計制造必要的裝配工裝、檢測量具和試驗裝置來保障工作順利進行，滿足設計要求。

3 工裝設計與應用

分析得知2000t造船門機起升機構有上小車和下小車共5組卷筒，每組卷筒由1對大小人字齒輪進行嚙合，為了保證大小人字齒輪的裝配精度、裝配安全和裝配質量的穩定性，也為了提高生產效率、降低工人勞動強度，設計并制造了以下裝配工藝裝備。

3.1 吊環工裝設計

上文提到，單個左（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，需要設計一種翻轉和吊起裝配工裝，工裝中工藝螺栓孔、工藝手孔和特制工藝螺栓用于緊固，還要方便對左旋齒輪的裝配與調整；同時吊裝過程中保證安全、可靠且使用方便，需具備制作簡單、成本低和效率高等特點，以達到控制變形和提高裝配效率的雙重作用。

如圖2所示，該吊環以固定齒輪、防止齒輪吊裝變形和磕碰的臺階圓環為主體結構，附加水平吊耳、垂直吊耳組合、圓度調整裝置和緊固螺釘等。臺階吊環設計的安裝臺階尺寸與齒輪臺階孔進行公差配合，公差帶H8/h7，通過均布的8個緊固螺釘與齒輪上的工藝螺紋孔裝配在一起；臺階圓環上加工有4個對稱工藝檢測孔，用塞尺來檢測齒輪內徑與卷筒法蘭的配合間隙，并通過圓度調整裝置進行調整，合格后用工藝螺栓進行固定，最后拆去臺階圓環。

圖2 吊環結構

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＋臺階圓環厚度；中間板鉆通孔，左側裝配擋板、右側裝配連接板，用螺栓、螺母和墊圈將3塊板聯接在一起；連接板下部鉆較大的通孔（如φ32mm），用螺栓（如M32×60mm）將連接板與臺階圓環聯接起來，使該垂直吊耳組合能將臺階圓環和齒輪整體吊裝起來，保證齒輪垂直。

圖3 垂直吊耳組合結構

3.2 V形尺工裝設計

組裝成的人字齒輪，左右旋齒輪的對中性是影響傳動精度的關鍵因素，也是影響卷筒上齒輪壽命的重要因素，同時還是整體設備的關鍵控制點之一。大型人字齒輪傳動的卷筒質量可靠，生產效率較高，壽命長、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，所以必須通過設計檢測工裝或專用量具來完成。

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，對稱分布鉆攻螺紋孔（如M8），并裝配調整螺釘在齒輪的齒谷處調平；該V形尺用激光切割機或線切割等精密設備制成，也可以數控加工，但加工后必須經過三坐標等精密儀器檢測，其角度及其公差必須與齒輪螺旋角相同。

圖4 V形尺檢測

V形尺應用如圖5所示，將檢驗合格的V形尺（V形尺的角度與人字齒輪螺旋角一致）放置在卷筒已經裝配人字齒輪（左旋齒輪、右旋齒輪）的齒谷中，調整螺栓使V形尺位于分度圓位置處，V形尺左右對稱；用塞尺測量齒分度圓處與V形尺接觸的四周間隙值，會出現左旋齒輪與右旋齒輪齒側間隙不同的情況，這時應以左旋或右旋的一個齒為基準，調整V形尺位置，可判斷左旋齒輪與右旋齒輪存在裝配偏差，設定百分表定位基準，將左旋齒輪旋轉一定角度（每次旋轉弧長一般為0.1mm），多次調整后，最終滿足某對稱齒與V形尺接觸的四周間隙值一致的要求，說明左旋齒輪與右旋齒輪對中。

圖5 V形尺應用

V形尺檢測裝置的應用，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整問題，左右旋齒形偏角調整準確、高效，該裝置制造成本低、精度高，提高了裝配效率。

3.3 跑合試驗工裝設計

跑合試驗工裝平面布置如圖6所示。

圖6 跑合試驗工裝平面布置

跑合試驗的目的：使齒輪漸開線表面做好承受使用載荷的表面摩擦準備，也是最直觀檢測開式齒輪嚙合精度的手段，還是跑合試驗工裝驗證的重要方式。

該開式人字齒輪外形尺寸大、調整困難，與耦合的小齒輪嚙合精度調整合格后，僅說明使用壓鉛絲法或紅丹粉法檢測的大齒輪個別齒與小齒輪嚙合合格；為了消除加工或熱處理后的變形，能進一步提高齒輪的全面接觸精度和減少噪聲，跑合試驗就顯得更為重要。

因該起升機構電動機電壓U＝500V、功率P＝400kW，在一般制造工廠內不能起動運行，故設計一套跑合試驗工裝。裝備一臺功率P＝15kW、電壓U＝380V的小功率變頻電動機，在減速機和電動機外側設置一個電動機平臺，在電動機平臺上安裝電動機滑軌和小功率變頻電動機，使安裝在小電動機軸上的小帶輪通過三角帶與裝配在減速機高速軸上的大帶輪進行減速傳動，從而帶動人字小齒輪與大齒輪進行跑合試驗。

4 裝配工藝流程

起升機構的裝配是起重機制造工藝過程中的最后一個環節。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，也是穩定產品質量，以延長產品使用壽命的關鍵。其包括裝配、調整、檢驗和試驗等工作。

工藝流程圖（見圖7）體現主要裝配環節，質量檢查貫穿每個節點，通過裝配前復檢、記錄數據、經統計分析判定合格等流程后，才允許后續裝配工序開工；探索出了大型人字齒輪對齒簡單、準確且裝配效率較高的工藝及質量控制方法，保證該造船門機的5組卷筒裝配質量穩定。

圖7 工藝流程

5 裝配工藝與跑合試驗

裝配工作一般在潔凈的裝配車間內進行，因該造船門機起升機構的特殊性——外形尺寸大、質量大、需要齒輪翻面和運行試驗等，故安排在高跨車間的一端進行總裝配和運行試驗。

根據裝配工藝要求，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，需要翻轉零件遠端放置，精密零件帶原包裝單獨放置，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

裝配分解與實物如圖8所示，因該造船門機的質量大，齒輪與卷筒裝配后的質量約50t，為了保證裝配質量與裝配安全，裝配過程應謹慎操作，故裝配順序應科學規劃、逐步進行。

圖8 卷筒與齒輪裝配分解與實物

具體裝配步驟如下所述。

1）卷筒放置。設計并制作卷筒支撐架，其高度滿足齒輪與吊環工裝穿越卷筒體時與地面距離＞50mm，質量輕、強度大，既能方便裝配時移動，又能用于卷筒發貨運輸。

2）右旋齒輪裝配。利用水平吊耳將吊環平放，臺階圓環與右旋齒輪通過兩者的工藝螺栓孔進行聯接，組合后平吊到能將吊環直立的安全區域；然后裝配垂直吊耳組合（見圖3），鋼絲繩卸扣穿入垂直吊環后將已經裝配齒輪的吊環工裝直立，這樣帶齒輪的吊環工裝便能穿過卷筒體與卷筒法蘭進行裝配，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量齒輪內徑與卷筒法蘭配合間隙，粗調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用吊環工裝將左旋齒輪直立，向卷筒法蘭左側裝配，裝配后調整同軸，最后用特制工藝螺栓將左（右）旋齒輪與卷筒裝配在一起。

4）檢測左（右）旋齒輪軸向圓跳動、徑向圓跳動。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，轉動大齒輪旋轉一周，用百分表分別檢測齒輪的軸向圓跳動量，偏差＜0.15mm，檢測徑向圓跳動量＜0.1mm，符合圖樣要求。

5）軸向圓跳動和徑向圓跳動檢測合格后，使用V形尺檢測工裝對左右旋齒輪螺旋角進行對中檢測和調整（具體方法見3.2）；調整合格后轉大型落地鏜床加工各聯接螺栓孔，并按照螺栓擰緊力矩進行緊固。

5.2 卷筒、小齒輪總成與小車架裝配

卷筒、小齒輪總成與小車架裝配是常見的匯裝工藝。工藝路線為：按照圖樣尺寸在小車架平臺上劃卷筒中心線、各支座十字中心線→匯裝卷筒支座→匯裝小齒輪底座→匯裝高壓電動機底座，保證卷筒軸線、小齒輪軸線、減速機軸線、高壓電動機軸線平行，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 大小齒輪嚙合調整

大小齒輪嚙合調整是人字齒輪裝配的重點和難點。調整時以大齒輪為基準，調整小齒輪與大齒輪的嚙合間隙。

（1）調平小齒輪軸承座 因匯裝的各支座焊接后，會造成軸承底座平面傾斜現象，所以必須將安裝的小齒輪軸承座調平，用框式水平儀檢測精度不低于0.2mm/1000mm。具體方法是在軸承座下部墊薄鐵皮，測量大小齒輪中心距離符合圖樣設計公差，并在軸承座兩端用頂絲頂緊，預緊與底座聯接的螺栓。

（2）嚙合精度調整 分為齒側隙的檢查與調整，操作如下。

1）根據標準[3]中表A1粗齒距（中、大模數）齒輪最小側隙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（mm），jbnmin為最小側隙（mm），代入前述的數據，得：該人字齒輪嚙合側隙為1.25mm。

2）側隙的檢查。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，側隙值（1.25±0.03）mm；用壓鉛法進行檢查，采用壓鉛法時，將跨3個齒距的鉛絲，垂直于齒輪軸線放置，沿整個齒寬放2～3排（視齒寬而定）鉛條，鉛條直徑不應大于要求側隙的4倍，所測間隙大小等于兩側被擠壓后的鉛條厚度之和。

3）側隙的調整。用塞尺（或壓鉛絲法）測大小齒輪嚙合側隙時，通過軸承座兩端的頂絲或者楔塊來調整大小齒輪中心距，從而使齒側間隙大小發生變化，達到側隙均勻一致并符合設計要求的目的。

（3）兩齒面接觸率的檢查與調整 具體如下所述。

1）接觸斑點按標準[4]中表9規定，接觸斑點分布趨近于齒輪中部，該齒輪為IT7級精度，沿齒高＞45%，沿齒長＞60%為合格。

2）接觸斑點的檢測，裝配后人工盤動減速機高速軸使小齒輪轉動，在小齒輪上涂紅丹粉，厚度應均勻適當，盤車后、觀察大齒輪齒面的著色率是否滿足1）中的要求。

3）接觸斑點檢測不能滿足要求時，可將人字小齒輪兩端軸承座高度適當調整為傾斜狀態，或將人字小齒輪兩端軸承座通過頂絲適當調整左旋或右旋端與大齒輪的中心距。這兩種調整方法均為微調，可以以磁座百分表為定位基準，每次0.05mm進給量逐漸調整，直到接觸斑點向合格方向改善為止。

5.4 跑合試驗

跑合試驗是檢驗裝配精度的有效手段之一，驗證了裝配誤差是影響齒輪嚙合性能的關鍵因素， 接觸印痕和傳動誤差比較完整地表達了齒輪副在空載或輕載下的嚙合性能[5]；與跑合試驗相關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高速軸聯軸器組裝在一起，減速機內加注足量潤滑油（牌號見說明書），通電運行（見圖6）。

跑合試驗由低速到高速分段進行并記錄分析，檢測大小齒輪的嚙合精度、軸承溫升、嚙合噪聲及整體振動量等參數以滿足設計要求；運行期間，人員與旋轉的零部件保持安全距離，測試電工安全操作控制柜，做到隨時控制電動機起停，保障試驗安全。

跑合效果的檢查應停機后進行，檢測人字齒嚙合情況。如齒形不符合要求而造成嚙合過緊，可適當加大中心距0.1mm，必要時可加上研磨劑（如金剛砂），再次跑合試驗。調整齒輪嚙合時，有時需要反復進行幾次，才能達到人字齒輪的嚙合松緊適度。調整好后，應擰緊各螺栓，再進行跑合，檢測跑合效果。

多次跑合、調校后的齒輪嚙合需達到下列要求：①齒輪間嚙合的接觸面和齒側隙應符合技術要求。②用手盤動時不應費力或感覺忽松忽緊。③運轉平穩、無異常雜音[5]。

6 結束語

通過該2000t造船門式起重機上下小車共5臺卷筒人字齒輪的裝配實踐，其裝配過程、檢測手段和跑合試驗，證明了裝配工藝及其工裝具有裝配效率高、裝配質量好、裝配過程簡單及安全可靠等優點；解決了大型開式裝配結構人字齒因裝配變形大而導致嚙合精度不易調整的難題，使最終驗收結果前置，減少現場裝配和調試時間，生產效率高；既節省制造工期，又降低了成本，裝配質量得到了有效保證，取得了良好的經濟效益和社會效益，值得推廣應用。