郭召

西安大醫(yī)集團股份有限公司研發(fā)中心 陜西西安 710000

1 序言

摩擦輪傳動是利用相互壓緊的摩擦輪之間的摩擦力傳遞運動及動力的一種精密傳動機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、加工精度易保證、無反向間隙且可無級分度，在大中型精密回轉(zhuǎn)運動中具有一定應(yīng)用價值。李洪波等人以回轉(zhuǎn)窯托輪為研究對象，介紹了托輪的接觸疲勞設(shè)計；董潔等人對起重機重載車輪的動態(tài)接觸進行了研究；楊鵬等人借助有限元對起重機輪軌接觸應(yīng)力進行了分析；王鵬等人研究了起重機車輪表面硬度對應(yīng)力場的影響。上述研究主要集中在對承載用輪對的接觸、疲勞及強度的研究，對精密重載傳動用摩擦輪副的研究較少。

摩擦輪傳動在重載工況下面臨高接觸應(yīng)力、高磨損的難題，在臥式回轉(zhuǎn)運動中還要防止軸向竄動。本文結(jié)合課題開發(fā)的大型精密旋轉(zhuǎn)機架，對精密重載摩擦輪傳動設(shè)計進行探討。

2 摩擦輪傳動應(yīng)力狀態(tài)及主要失效形式

摩擦輪副赫茲接觸應(yīng)力如圖1所示，驅(qū)動機架旋轉(zhuǎn)的摩擦輪副為圓柱型摩擦輪副，外圓相切。根據(jù)赫茲接觸理論，在靜態(tài)接觸狀態(tài)下，接觸區(qū)域承受沿法向的集中接觸應(yīng)力，接觸區(qū)域相對幾何切線對稱，寬度2a。摩擦輪副接觸區(qū)受力及彈性滑動產(chǎn)生機理如圖2所示，在接觸區(qū)域，滾筒軌道受到和其旋轉(zhuǎn)方向相同的摩擦力Ft2作用后開始轉(zhuǎn)動。在這一過程中，滾筒軌道表面材料先受到拉伸作用，后受到壓縮作用。摩擦輪承受和其旋轉(zhuǎn)方向相反的摩擦力Ft1，其表面材料先壓縮后拉伸。在連續(xù)運行過程中，摩擦輪副表面持續(xù)受到法向應(yīng)力、拉伸應(yīng)力及壓縮應(yīng)力的周期性作用。利用有限元對傳動過程中接觸區(qū)域及相鄰影響區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)進行分析。摩擦輪副靜態(tài)接觸時應(yīng)力分布如圖3所示，接觸區(qū)最大應(yīng)力479.01MPa；對摩擦輪副施加驅(qū)動扭矩時應(yīng)力分布如圖4所示，接觸區(qū)最大應(yīng)力達到695.68MPa。

圖1 摩擦輪副赫茲接觸應(yīng)力示意

圖2 摩擦輪副接觸區(qū)受力及彈性滑動產(chǎn)生機理示意

圖3 摩擦輪副靜態(tài)接觸時應(yīng)力分布

圖4 對摩擦輪副施加驅(qū)動扭矩時應(yīng)力分布

摩擦輪傳動過程中摩擦輪副承受切向的往復(fù)拉伸及壓縮作用，并承受交變的法向載荷，摩擦接觸區(qū)及兩側(cè)影響區(qū)始終處于高交變應(yīng)力狀態(tài)，其失效形式以疲勞點蝕為主，同時磨損量不容忽視。

3 摩擦輪副材質(zhì)的選擇及匹配

摩擦輪副在接觸區(qū)域同時承受法向壓力及切向拉伸力和壓縮力的作用，材料的屈服強度及拉伸強度在一定程度上反映了疲勞強度的高低，為提高疲勞強度，應(yīng)選擇高強度材料。彈性模量決定摩擦輪副的局部剛度，低彈性模量材料在接觸區(qū)域變形大，因而接觸區(qū)域較大，可以降低接觸應(yīng)力，但接觸面積增大，彈性滑動也會增加，影響傳動精度；高彈性模量材料接觸區(qū)域變形小，接觸區(qū)域穩(wěn)定，所造成的高接觸應(yīng)力問題可以通過選用高強度材料加以改善，因此摩擦輪副應(yīng)選用高彈性模量材料。摩擦輪在進入和脫離接觸區(qū)時分別承受拉伸及壓縮作用，會在摩擦輪副表面產(chǎn)生微觀車削效應(yīng)，造成表面磨損，尤其在制動時，驅(qū)動摩擦輪處于靜止狀態(tài)，從動摩擦輪在大慣量帶動下沿摩擦輪表面滑移一定角度，導(dǎo)致局部磨損加劇，因此硬度的匹配是減少磨損的重要 手段。

為選擇合理的摩擦輪副材料，在原理樣機試制階段，選擇了4種材質(zhì)配對方案，其關(guān)鍵力學(xué)性能參數(shù)見表1。圖5為所開發(fā)的旋轉(zhuǎn)機架空載狀態(tài)實物，機架滾筒的軌道為從動摩擦輪，滾筒集成負載后總重約10t。為模擬整機設(shè)備在醫(yī)院中的使用工況，設(shè)置運行速度為1r/min，觀察摩擦輪副表面狀態(tài)。滾筒累計承載運行3萬轉(zhuǎn)后，驅(qū)動摩擦輪表面狀態(tài)對比如圖6所示。

圖6 驅(qū)動摩擦輪承載運行后表面狀態(tài)對比

表1 摩擦輪副材質(zhì)配對方案及關(guān)鍵力學(xué)性能參數(shù)

圖5 旋轉(zhuǎn)機架空載狀態(tài)實物

圖6a為表1中方案1對應(yīng)的摩擦輪表面狀態(tài)，持續(xù)運行后摩擦輪表面完整，有污跡，用酒精擦拭后可恢復(fù)光澤。圖6b為表1中方案2對應(yīng)的摩擦輪表面狀態(tài)，持續(xù)運行后驅(qū)動摩擦輪表面有黑色膜狀附著物，干燥隆起，用刮板輕刮可去除，輪面和周圍非接觸區(qū)相比，光澤度降低，回轉(zhuǎn)精度未降低。圖6c為表1中方案3對應(yīng)的摩擦輪表面狀態(tài)，持續(xù)運行后驅(qū)動摩擦輪表面出現(xiàn)黑色焦皮，用刮板輕刮可去除，輪面和周圍非接觸區(qū)相比，光澤度降低，回轉(zhuǎn)精度未降低。圖6d為表1中方案4對應(yīng)的摩擦輪表面狀態(tài)，持續(xù)運行后驅(qū)動摩擦輪表面完整，有光澤。

通過對比測試，筆者認為在大型精密重載摩擦輪傳動設(shè)計中，摩擦輪副應(yīng)選擇高強度材料，采用較高的硬度，建議參照硬齒面齒輪的要求進行設(shè)計。從動摩擦輪硬度范圍（400±30）HBW，驅(qū)動摩擦輪的硬度應(yīng)高于從動輪硬度。通過實際測試驗證，筆者推薦的硬度差為100～120HBW。

4 軸向竄動的分析及抑制

臥式布局的大型重載精密摩擦輪傳動需要克服軸向竄動的問題。常見的竄動形式有單一軸向竄動和往復(fù)軸向竄動。單一軸向竄動不隨旋轉(zhuǎn)方向改變，主要由軸線傾斜引起；往復(fù)軸向竄動隨著旋轉(zhuǎn)方向改變，呈螺旋往復(fù)運動規(guī)律。摩擦輪自身加工誤差、安裝誤差及承載后的形變會造成摩擦輪副相對位置的變化，導(dǎo)致驅(qū)動摩擦輪軸線與從動摩擦輪軸線不平行，存在扭轉(zhuǎn)角θ或傾斜角γ，這是摩擦輪傳動過程中產(chǎn)生軸向竄動的主要原因。

扭轉(zhuǎn)角是引起往復(fù)軸向竄動的主要原因，如圖7所示，當(dāng)驅(qū)動摩擦輪與從動摩擦輪之間存在扭轉(zhuǎn)角θ時，驅(qū)動摩擦輪產(chǎn)生的摩擦力作用在從動摩擦輪表面，作用點位于接觸點，作用方向垂直于驅(qū)動摩擦輪軸線。摩擦力帶動從動摩擦輪繞其軸線回轉(zhuǎn)，由于從動摩擦輪回轉(zhuǎn)軸線固定，實際的回轉(zhuǎn)驅(qū)動力為Fr＝Fcosθ，與此同時，沿回轉(zhuǎn)軸線產(chǎn)生Fa＝Fsinθ的軸向力。驅(qū)動摩擦輪換向時，作用在從動摩擦輪上的軸向力方向改變。

圖7 存在扭轉(zhuǎn)角θ時的受力示意

在整機設(shè)備中，滾筒軌道為從動摩擦輪，由4個驅(qū)動摩擦輪支承，回轉(zhuǎn)軸線水平。當(dāng)驅(qū)動摩擦輪與從動摩擦輪之間存在傾斜角γ時（見圖8），滾筒在重力作用下發(fā)生軸線傾斜，重力沿回轉(zhuǎn)軸線產(chǎn)生分量，導(dǎo)致單一方向的軸向竄動。

圖8 傾斜角γ示意

通過對摩擦輪廓形進行修形優(yōu)化，可以改變接觸位置，降低對安裝精度的要求，改善接觸狀態(tài)，抑制軸向竄動。圓柱型摩擦輪理論上為線接觸，其接觸軌跡為其幾何相切線，但由于加工誤差、安裝誤差及承載后的形變誤差的存在，會造成摩擦輪副之間的相對位置變化，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角和傾斜角。通過對摩擦輪廓形進行修形優(yōu)化，可以降低上述誤差的影響，減小扭轉(zhuǎn)角及傾斜角，同時可以改善接觸狀態(tài)，提高疲勞壽命。

5 結(jié)束語

摩擦輪在傳動過程中，接觸區(qū)域及兩側(cè)影響區(qū)同時承受高法向集中載荷及沿切向的周期性拉伸和壓縮載荷，表層材料先壓縮后拉伸，承受交變應(yīng)力，疲勞點蝕是其主要失效形式。選用高強度材料通過熱處理提高硬度可以提高疲勞壽命，但在硬度匹配上驅(qū)動輪的硬度應(yīng)高于從動輪，推薦硬度差 100～120HBW。