造船门式起重机卷筒开式人字齿轮装配工艺与工装设计

李永福，张杰义，李静宇

河南卫华重型机械股份有限公司 河南新乡 453400

1 序言

随着国际造船业的发展，船体体积逐渐增大，大型船体零部件制造产量提升，推动着造船门式起重机（简称“造船门机”）大型化的发展；其中卷筒直径也逐渐增大、起升高度高，起升机构中多采用开式人字齿轮传动，传动具有承载能力高、传动平稳和轴向载荷小等优点，在大型船舶、航空航天等重型机械传动系统中发挥着重要作用[1]。但是，仍存在因齿轮直径大、厚度小，导致装配精度高、变形控制难度大及啮合精度调整困难等问题。

2 人字齿轮卷筒装配结构特点

如图1所示，该造船门机的起升机构是采用左旋大齿轮和右旋大齿轮装配在卷筒一端的法兰上，形成人字大齿轮与相对应小齿轮啮合，再与减速机、联轴器和电动机等组合；左旋齿轮和右旋齿轮，两齿轮旋向相反，其余技术参数均相同。大型人字齿轮装配时，需要使相互啮合的一对人字齿轮自然对中，弥补加工所带来的误差；在人字齿轮正确啮合的情况下，一对左右旋齿轮所产生的轴向力可以相互抵消，但是，如果一对齿轮安装调整不好，不能自由对中，就会出现齿轮单边啮合的现象，也严重降低人字齿轮传动的稳定性和可靠性[2]。 由于人字齿轮的螺旋角较大，如该主卷筒人字齿轮的螺旋角为26°45'5"，重载时会产生很大的轴向力，因此在装配人字齿轮时，不仅要有一定的齿侧间隙和齿顶间隙，对应啮合的小齿轮轴还要有足够的自由移动量，这样才可以保证在啮合过程中对称线自然对中，否则就会出现啮合不良、噪声大等现象，情况严重时会使轴承发热受损。

图1 主卷筒起升机构平面布置与实物

卷筒是起重机产品上的重要零部件，单个卷筒质量32000kg，卷筒绳槽径2800mm，需要装配的左（右）旋齿轮外径3700mm、内径3190mm、厚度165mm，模数25mm，精度等级IT7，配对齿轮中心距2128mm；属于大型齿轮、薄壁齿轮。如何保证大齿轮与卷筒的装配精度、大齿轮与小齿轮运转精度是该起升机构装配工艺的重点和难点，需要设计制造必要的装配工装、检测量具和试验装置来保障工作顺利进行，满足设计要求。

3 工装设计与应用

分析得知2000t造船门机起升机构有上小车和下小车共5组卷筒，每组卷筒由1对大小人字齿轮进行啮合，为了保证大小人字齿轮的装配精度、装配安全和装配质量的稳定性，也为了提高生产效率、降低工人劳动强度，设计并制造了以下装配工艺装备。

3.1 吊环工装设计

上文提到，单个左（右）旋齿轮直径大、厚度薄，齿轮与卷筒的装配形式只能将卷筒水平放置，齿轮垂直穿过卷筒安装在卷筒法兰上。因此，齿轮采用垂直吊装以防直立失圆变形，需要设计一种翻转和吊起装配工装，工装中工艺螺栓孔、工艺手孔和特制工艺螺栓用于紧固，还要方便对左旋齿轮的装配与调整；同时吊装过程中保证安全、可靠且使用方便，需具备制作简单、成本低和效率高等特点，以达到控制变形和提高装配效率的双重作用。

如图2所示，该吊环以固定齿轮、防止齿轮吊装变形和磕碰的台阶圆环为主体结构，附加水平吊耳、垂直吊耳组合、圆度调整装置和紧固螺钉等。台阶吊环设计的安装台阶尺寸与齿轮台阶孔进行公差配合，公差带H8/h7，通过均布的8个紧固螺钉与齿轮上的工艺螺纹孔装配在一起；台阶圆环上加工有4个对称工艺检测孔，用塞尺来检测齿轮内径与卷筒法兰的配合间隙，并通过圆度调整装置进行调整，合格后用工艺螺栓进行固定，最后拆去台阶圆环。

图2 吊环结构

如图2、图3所示，垂直吊耳组合由挡板、中间板、连接板、垂直吊耳及联接螺栓等组成，垂直吊耳焊接在中间板顶部中间位置，中间板厚度＝齿轮厚度＋台阶圆环厚度；中间板钻通孔，左侧装配挡板、右侧装配连接板，用螺栓、螺母和垫圈将3块板联接在一起；连接板下部钻较大的通孔（如φ32mm），用螺栓（如M32×60mm）将连接板与台阶圆环联接起来，使该垂直吊耳组合能将台阶圆环和齿轮整体吊装起来，保证齿轮垂直。

图3 垂直吊耳组合结构

3.2 V形尺工装设计

组装成的人字齿轮，左右旋齿轮的对中性是影响传动精度的关键因素，也是影响卷筒上齿轮寿命的重要因素，同时还是整体设备的关键控制点之一。大型人字齿轮传动的卷筒质量可靠，生产效率较高，寿命长、维保成本较低，但由于卷筒上装配式人字齿轮的装配精度有更高要求，所以必须通过设计检测工装或专用量具来完成。

如图4所示，V形尺的宽度与齿轮分度圆处齿宽相同，角度α为左（右）旋齿轮螺旋角，厚度为2mm，对称分布钻攻螺纹孔（如M8），并装配调整螺钉在齿轮的齿谷处调平；该V形尺用激光切割机或线切割等精密设备制成，也可以数控加工，但加工后必须经过三坐标等精密仪器检测，其角度及其公差必须与齿轮螺旋角相同。

图4 V形尺检测

V形尺应用如图5所示，将检验合格的V形尺（V形尺的角度与人字齿轮螺旋角一致）放置在卷筒已经装配人字齿轮（左旋齿轮、右旋齿轮）的齿谷中，调整螺栓使V形尺位于分度圆位置处，V形尺左右对称；用塞尺测量齿分度圆处与V形尺接触的四周间隙值，会出现左旋齿轮与右旋齿轮齿侧间隙不同的情况，这时应以左旋或右旋的一个齿为基准，调整V形尺位置，可判断左旋齿轮与右旋齿轮存在装配偏差，设定百分表定位基准，将左旋齿轮旋转一定角度（每次旋转弧长一般为0.1mm），多次调整后，最终满足某对称齿与V形尺接触的四周间隙值一致的要求，说明左旋齿轮与右旋齿轮对中。

图5 V形尺应用

V形尺检测装置的应用，有效地解决了由左右旋斜齿齿轮组成的人字齿装配的精确调整问题，左右旋齿形偏角调整准确、高效，该装置制造成本低、精度高，提高了装配效率。

3.3 跑合试验工装设计

跑合试验工装平面布置如图6所示。

图6 跑合试验工装平面布置

跑合试验的目的：使齿轮渐开线表面做好承受使用载荷的表面摩擦准备，也是最直观检测开式齿轮啮合精度的手段，还是跑合试验工装验证的重要方式。

该开式人字齿轮外形尺寸大、调整困难，与耦合的小齿轮啮合精度调整合格后，仅说明使用压铅丝法或红丹粉法检测的大齿轮个别齿与小齿轮啮合合格；为了消除加工或热处理后的变形，能进一步提高齿轮的全面接触精度和减少噪声，跑合试验就显得更为重要。

因该起升机构电动机电压U＝500V、功率P＝400kW，在一般制造工厂内不能起动运行，故设计一套跑合试验工装。装备一台功率P＝15kW、电压U＝380V的小功率变频电动机，在减速机和电动机外侧设置一个电动机平台，在电动机平台上安装电动机滑轨和小功率变频电动机，使安装在小电动机轴上的小带轮通过三角带与装配在减速机高速轴上的大带轮进行减速传动，从而带动人字小齿轮与大齿轮进行跑合试验。

4 装配工艺流程

起升机构的装配是起重机制造工艺过程中的最后一个环节。合理安排装配顺序和工序，是缩短装配周期、提高装配效率的保障，也是稳定产品质量，以延长产品使用寿命的关键。其包括装配、调整、检验和试验等工作。

工艺流程图（见图7）体现主要装配环节，质量检查贯穿每个节点，通过装配前复检、记录数据、经统计分析判定合格等流程后，才允许后续装配工序开工；探索出了大型人字齿轮对齿简单、准确且装配效率较高的工艺及质量控制方法，保证该造船门机的5组卷筒装配质量稳定。

图7 工艺流程

5 装配工艺与跑合试验

装配工作一般在洁净的装配车间内进行，因该造船门机起升机构的特殊性——外形尺寸大、质量大、需要齿轮翻面和运行试验等，故安排在高跨车间的一端进行总装配和运行试验。

根据装配工艺要求，各种待装配的零部件按照装配先后顺序摆放，先装配零件就近放置，需要翻转零件远端放置，精密零件带原包装单独放置，小件装箱；所有零部件均不能落地，零件下部有垫木，距离地面＞200mm。

5.1 卷筒与齿轮装配

装配分解与实物如图8所示，因该造船门机的质量大，齿轮与卷筒装配后的质量约50t，为了保证装配质量与装配安全，装配过程应谨慎操作，故装配顺序应科学规划、逐步进行。

图8 卷筒与齿轮装配分解与实物

具体装配步骤如下所述。

1）卷筒放置。设计并制作卷筒支撑架，其高度满足齿轮与吊环工装穿越卷筒体时与地面距离＞50mm，质量轻、强度大，既能方便装配时移动，又能用于卷筒发货运输。

2）右旋齿轮装配。利用水平吊耳将吊环平放，台阶圆环与右旋齿轮通过两者的工艺螺栓孔进行联接，组合后平吊到能将吊环直立的安全区域；然后装配垂直吊耳组合（见图3），钢丝绳卸扣穿入垂直吊环后将已经装配齿轮的吊环工装直立，这样带齿轮的吊环工装便能穿过卷筒体与卷筒法兰进行装配，期间多次将卷筒支撑架换位。右旋齿轮与卷筒法兰装配后，用塞尺在工艺手孔处测量齿轮内径与卷筒法兰配合间隙，粗调同轴后用工艺螺栓将齿轮固定。

3）左旋齿轮装配。同样按照步骤2用吊环工装将左旋齿轮直立，向卷筒法兰左侧装配，装配后调整同轴，最后用特制工艺螺栓将左（右）旋齿轮与卷筒装配在一起。

4）检测左（右）旋齿轮轴向圆跳动、径向圆跳动。将装配好左右旋齿轮的卷筒，两端轴头装配工艺轴承，放置在两端等高的静平衡架上，转动大齿轮旋转一周，用百分表分别检测齿轮的轴向圆跳动量，偏差＜0.15mm，检测径向圆跳动量＜0.1mm，符合图样要求。

5）轴向圆跳动和径向圆跳动检测合格后，使用V形尺检测工装对左右旋齿轮螺旋角进行对中检测和调整（具体方法见3.2）；调整合格后转大型落地镗床加工各联接螺栓孔，并按照螺栓拧紧力矩进行紧固。

5.2 卷筒、小齿轮总成与小车架装配

卷筒、小齿轮总成与小车架装配是常见的汇装工艺。工艺路线为：按照图样尺寸在小车架平台上划卷筒中心线、各支座十字中心线→汇装卷筒支座→汇装小齿轮底座→汇装高压电动机底座，保证卷筒轴线、小齿轮轴线、减速机轴线、高压电动机轴线平行，各支座上部加工面水平，大齿轮端面与小齿轮端面平行，焊接各支座牢固。

5.3 大小齿轮啮合调整

大小齿轮啮合调整是人字齿轮装配的重点和难点。调整时以大齿轮为基准，调整小齿轮与大齿轮的啮合间隙。

（1）调平小齿轮轴承座 因汇装的各支座焊接后，会造成轴承底座平面倾斜现象，所以必须将安装的小齿轮轴承座调平，用框式水平仪检测精度不低于0.2mm/1000mm。具体方法是在轴承座下部垫薄铁皮，测量大小齿轮中心距离符合图样设计公差，并在轴承座两端用顶丝顶紧，预紧与底座联接的螺栓。

（2）啮合精度调整 分为齿侧隙的检查与调整，操作如下。

1）根据标准[3]中表A1粗齿距（中、大模数）齿轮最小侧隙jbnmin的推荐公式：jbnmin＝2/3×（0.06＋0.0005αi＋0.03mn），其中αi为最小中心距（mm），mn为齿轮法向模数（mm），jbnmin为最小侧隙（mm），代入前述的数据，得：该人字齿轮啮合侧隙为1.25mm。

2）侧隙的检查。用塞尺分别塞入左旋齿轮的外端和右旋齿轮的外端，两者偏差＜0.06mm，侧隙值（1.25±0.03）mm；用压铅法进行检查，采用压铅法时，将跨3个齿距的铅丝，垂直于齿轮轴线放置，沿整个齿宽放2～3排（视齿宽而定）铅条，铅条直径不应大于要求侧隙的4倍，所测间隙大小等于两侧被挤压后的铅条厚度之和。

3）侧隙的调整。用塞尺（或压铅丝法）测大小齿轮啮合侧隙时，通过轴承座两端的顶丝或者楔块来调整大小齿轮中心距，从而使齿侧间隙大小发生变化，达到侧隙均匀一致并符合设计要求的目的。

（3）两齿面接触率的检查与调整 具体如下所述。

1）接触斑点按标准[4]中表9规定，接触斑点分布趋近于齿轮中部，该齿轮为IT7级精度，沿齿高＞45%，沿齿长＞60%为合格。

2）接触斑点的检测，装配后人工盘动减速机高速轴使小齿轮转动，在小齿轮上涂红丹粉，厚度应均匀适当，盘车后、观察大齿轮齿面的着色率是否满足1）中的要求。

3）接触斑点检测不能满足要求时，可将人字小齿轮两端轴承座高度适当调整为倾斜状态，或将人字小齿轮两端轴承座通过顶丝适当调整左旋或右旋端与大齿轮的中心距。这两种调整方法均为微调，可以以磁座百分表为定位基准，每次0.05mm进给量逐渐调整，直到接触斑点向合格方向改善为止。

5.4 跑合试验

跑合试验是检验装配精度的有效手段之一，验证了装配误差是影响齿轮啮合性能的关键因素， 接触印痕和传动误差比较完整地表达了齿轮副在空载或轻载下的啮合性能[5]；与跑合试验相关的零部件装配并紧固合格后，将跑合工装的大带轮与减速机高速轴联轴器组装在一起，减速机内加注足量润滑油（牌号见说明书），通电运行（见图6）。

跑合试验由低速到高速分段进行并记录分析，检测大小齿轮的啮合精度、轴承温升、啮合噪声及整体振动量等参数以满足设计要求；运行期间，人员与旋转的零部件保持安全距离，测试电工安全操作控制柜，做到随时控制电动机起停，保障试验安全。

跑合效果的检查应停机后进行，检测人字齿啮合情况。如齿形不符合要求而造成啮合过紧，可适当加大中心距0.1mm，必要时可加上研磨剂（如金刚砂），再次跑合试验。调整齿轮啮合时，有时需要反复进行几次，才能达到人字齿轮的啮合松紧适度。调整好后，应拧紧各螺栓，再进行跑合，检测跑合效果。

多次跑合、调校后的齿轮啮合需达到下列要求：①齿轮间啮合的接触面和齿侧隙应符合技术要求。②用手盘动时不应费力或感觉忽松忽紧。③运转平稳、无异常杂音[5]。

6 结束语

通过该2000t造船门式起重机上下小车共5台卷筒人字齿轮的装配实践，其装配过程、检测手段和跑合试验，证明了装配工艺及其工装具有装配效率高、装配质量好、装配过程简单及安全可靠等优点；解决了大型开式装配结构人字齿因装配变形大而导致啮合精度不易调整的难题，使最终验收结果前置，减少现场装配和调试时间，生产效率高；既节省制造工期，又降低了成本，装配质量得到了有效保证，取得了良好的经济效益和社会效益，值得推广应用。