摘要：傳動系統是機床運行的核心部件，以ZQ3080×20型搖臂鉆床為例，闡述了搖臂鉆床機械傳動系統和液壓控制系統的工作原理，分析了機床在運行中常見的轉速丟失和混亂、轉矩不足的故障現象，為使用者更好的維護機床，快速進行故障診斷提供參考。
0、引言
搖臂鉆床是一種廣泛應用于孔加工的機床。目前，機加工分廠使用的鉆床主要有ZQ3080×25型、ZQ3080×20型，主要用于鉆孔、擴孔、攻螺紋等工作[1]。
1、機械傳動系統原理
搖臂鉆床機械傳動系統復雜，變速級數多，變速范圍大，以ZQ3080×20型搖臂鉆床為例，主軸變速傳動機構安裝在主軸箱上部，主軸傳動系統如圖1所示。
圖1 主軸傳動系統圖
5、6. 二聯滑移齒輪9、10. 二聯滑移齒輪16、17. 內外齒滑移齒輪21、22. 二聯滑移齒輪其余. 齒輪注：（圖中數字為齒輪齒數）。
主傳動上設有8根傳動軸Ⅰ-Ⅷ，在第Ⅱ軸上設有主軸正反轉摩擦離合器，它可使主軸平穩無沖擊的變換旋轉方向，并可防止電機過載。在Ⅵ軸上設有扭矩保險離合器，當主軸負荷超過允許最大扭矩的25%時，離合器打滑，防止損壞傳動系統的其他環節。在Ⅶ軸上安設的滑移齒輪，可實現主軸空檔。主軸的變速通過Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ四根軸上的二聯滑移齒輪，與固定齒輪間的不同嚙合，使主軸可以獲得2×2×2×2=16個轉速級數，轉速范圍由20 r/min～1 600 r/min，它的變速范圍及傳動路線表達式[2]如下：
由上述表達式及不同狀態下各齒輪副嚙合的傳動比繪制的轉速圖如圖2所示。
圖2 主軸轉速圖
IX-XIV 為主軸進給量傳動機構，其結構型式，安設位置，結構上的安排均與主軸變速傳動機構相似，如圖1所示。
在日常的加工中，工人一般使用的速度有100 r/min、125 r/min、200 r/min 及250 r/min。以125 r/min為例，由圖1及圖2可知，此時主軸上的4個二聯齒輪動作，Ⅲ軸上的滑移齒輪6與Ⅳ軸固定齒輪8嚙合，Ⅳ軸上的滑移齒輪21與Ⅴ軸的固定齒輪20嚙合，Ⅴ軸的滑移齒輪10與Ⅵ軸的齒輪12嚙合，Ⅶ軸的滑移齒輪內外齒輪分離，內齒16與Ⅵ軸的12嚙合，形成如下的傳動過程，輸出轉速為125 r/min。
2、液壓控制系統原理
滑移齒輪的移動換位是由液壓系統控制的，操縱機構液壓系統安裝在主軸箱上，用以實現主軸正反轉、停車（制動）、空擋，預選及變速（包括“緩速”），潤滑主軸變速和主軸進給變速傳動系統的各零部件等，操縱機構液壓原理圖如圖3所示。
2.1主軸停車
主軸停車，如圖3所示為125 r/min主軸停車狀態，此時主電機帶動齒輪泵旋轉，整個液壓系統處于低壓狀態，從齒輪泵輸出的油液，其中大量的油液經管路②流入操縱閥2的a孔，經操縱閥油路轉換后由閥1的中心孔，再到C-C截面的橫向孔和管路③流入分流器，經分流器分流后到各個潤滑處，最后回到安放在主軸箱上的油池。另一部分油液經B-B截面的管路⑧到制動軸的油缸9內，由于液壓系統內的油為低壓油，制動摩擦離合器11在彈簧10的作用下被壓緊，使制動軸上的齒輪不能轉動，主軸立即停車。
2.2主軸正轉
主軸正轉，將操縱手柄19轉至主軸正轉的位置時，閥1相對于閥2順時針旋轉45°，參見正轉E-E截面，管路③的油源被切斷，使液壓系統形成壓力油，從齒輪泵輸出的壓力油到達閥2的a孔，其中的一股壓力油經操縱閥轉換后，經由管路⑧流入制動軸的油缸9，推動活塞向下運動壓縮彈簧10，松開制動摩擦離合器11，為主軸旋轉創造條件。另一股壓力油經操縱閥油路變換后，由閥1的中心孔流入E-E界面的c孔，再到A-A截面的管路⑤流入油缸18，向上推動活塞17和撥叉13，壓緊主軸正轉摩擦離合器14，接通了主電機到主軸的傳動鏈，使主軸正轉。油缸15中的油液經管路⑥流進A-A截面的b孔，再經E-E截面流入閥1 的橫向槽和經D-D 截面的環形槽及d孔，流入C-C 截面的管路③，經分流器回到油池。上述過程，在轉動手柄19到正轉的位置的瞬間即可完成。主電機帶動齒輪泵繼續旋轉，油泵輸出的油液除保持液壓系統處于鎖定壓力狀態外，大部分油液經溢流閥和分油器，潤滑主軸變速和主軸進給傳動系統的諸部件，最后回到油池。
2.3主軸反轉
主軸反轉，主軸反轉與主軸正轉相似，將操縱手柄19轉到反轉位置，閥1相對閥2逆時針旋轉45°，參見反轉E-E截面。液壓泵來油經油管②流入C-C截面的a孔，經操縱閥轉換后，壓力油由E-E截面的b孔，流到A-A截面的管路⑥進入油缸15，向下推動活塞16和撥叉13，壓緊主軸反轉摩擦離合器12，使主軸反轉，油缸18中的油液由油管⑤流入A-A截面的c孔，經操縱閥轉換后經C-C截面的d孔流入油管③，最后流回油池。在主軸正傳或反轉的過程中，也可以旋轉旋鈕3和4，預選主軸轉速或進給量。當工作完成時，將手柄19轉回停車位置，主軸停車，油路分配如前述—主軸停車。
2.4 主軸變速
主軸變速與緩速，主軸停車、正轉、反轉是在水平方向轉動操縱手柄19，而主軸變速與空檔則是在垂直方向轉動操縱手柄，如圖3所示。當將手柄19搬至變速位置時，閥1相對于閥2向上移動一個位置，即圖3中閥1 中A-A截面至E-E截面相對于閥2 上移一個位置，A-A截面閥1的截面應為B-B截面閥1的截面形狀，B-B截面閥1的截面應為C-C 截面閥1 的截面形狀，依此類推。從油泵輸出的壓力油從油管②流入C-C截面的閥2的a孔，再經操縱閥油路變換后，流到D-D截面的管路④，參見變速D-D截面，進入主軸轉速預選閥21 和主軸進給量預選閥22，如圖3 所示，每個預選閥控制著4個液壓缸，實現16級速度變換。其中一股壓力油直接流進各變速油缸的下腔，另一股壓力油經預選閥21、22的油路變換后流進各變速油缸的上腔，由帕斯卡原理，油缸的上下兩腔的壓強相等，但由于上腔面積大于裝有活塞桿的下腔面積，由公式[3]F=P×S 知，上腔壓力大于下腔壓力，形成壓力差，當壓力油從上腔流進，將推動活塞桿向下移動，帶動傳動軸上的滑移齒輪脫開或嚙合，實現變速。當油缸的上腔液壓油與21、22的回油口接通，壓力油流回油池，活塞在下腔的壓力油的作用下向上移動，帶動傳動軸上的滑移齒輪做反方向移動，重新調整滑移齒輪的位置，實現變速。具體哪個油缸上腔進油或回油，決定于預選閥21和22的所選定的主軸速度和進給量。
圖3 操縱機構液壓原理圖
1. 操縱閥閥1 2. 操縱閥閥2 3. 主軸轉速預選旋鈕4. 主軸進給量預選旋鈕5、6、7. 三位液壓缸活塞8. 限位卡圈9. 制動液壓缸10. 彈簧11. 制動摩擦離合器12. 反轉摩擦離合器13. 撥叉14. 正轉摩擦擦離合器15. 反轉液壓缸16. 反轉液壓缸活塞17. 正轉液壓缸活塞18. 正轉液壓缸19. 操縱手柄20. 彈簧21. 主軸轉速預選閥22. 主軸進給量預選閥
圖3所示為轉速125 r/min，進給量為0.4 mm/min的活塞桿在變速油缸內的位置。與壓力油流進D-D截面的管路④的同時，從閥1的中心孔和十字孔流進E-E截面閥2的b孔和c孔，參見變速E-E截面，再經A-A截面的管路⑥和⑤，流入油缸15和18，因活塞17比活塞16的直徑大，產生壓力差，活塞17帶動撥叉13向上緩慢移動，逐漸壓緊主軸正傳摩擦離合器14，接通主電機到主軸的傳動鏈，使主軸緩慢轉動，稱之為“緩速”。緩速的目的在于使滑移齒輪能比較順利地進入嚙合位置，而避免齒頂齒現象發生。
如果將手柄19向下搬到變速位置時，主軸已開始轉動，表明各變速油缸內的活塞移動完畢，滑移齒輪已移動到新的位置進入嚙合狀態，變速已經完成。此時，松開手柄19，在閥1桿上彈簧20作用下，自動復位到主軸停車位置，接著便可以開車（正轉或反轉） 進行工作。由于閥1和閥2恢復到主軸正轉或反轉的位置，切斷了通往預選閥21、22和各變速油缸上下腔的油路，各滑移齒輪在各自的彈簧定位下進行工作。
2.5主軸空檔
主軸空檔，將手柄19 向上搬到主軸空檔位置，閥1相對于閥2向下位移一個位置，即圖3中閥1 中A-A截面至E-E截面相對于閥2 下移一個位置，B-B截面閥1的截面形狀應為A-A截面閥1的截面形狀，C-C截面閥1的截面應為B-B截面閥1的截面形狀，依此類推。從油泵輸出的壓力油，經管路②流到C-C截面閥2的a孔，再經操縱閥油路變換后，最終流入D-D截面的管路⑦，參看主軸空擋D-D截面，同時流進三位油缸的上下腔，上腔的活塞7向下頂活塞6直到活塞7被卡圈8限位為止，下腔活塞5向上移動與活塞6相遇，因活塞5面積小于活塞7的面積而不能頂回活塞6。此時，Ⅶ軸上的滑移齒輪處于中間脫開的位置，這樣可以輕便的旋轉主軸，這時，g腔的油液經管路④流入到D-D截面閥1的軸向槽和環形槽，與閥2 的d孔共同經C-C截面閥2橫向孔和管路③，經分流器去潤滑，最后流回油池。若活塞6處于下位置向中間位置移動時，f腔的油液經油管和預選閥21流回油池。當主軸正在進行變速、正轉、反轉時，或處于空檔狀態時，液壓系統除保持原狀態用油外，大部分油液經溢流閥和主軸操縱閥潤滑主軸變速和進給變速傳動系統各零部件。
3、故障分析
機床常見的故障原因有齒輪打齒，齒輪軸彎曲變形或折斷，滑移齒輪定位彈簧卡子失效等，這些機械故障會造成齒輪嚙合不到位，出現“丟轉”和轉速混亂現象。同時，液壓系統供油壓力不足或是系統漏油、混入空氣，會影響控制滑移齒輪換位的液壓缸活塞行程，也會造成主軸“丟轉” 和混亂。當油缸15、18內的彈簧折斷造成撥叉行程不足或是摩擦片過熱咬合縮短間隙，增大撥叉行程等，都會使撥叉壓不緊摩擦片，會造成機床正反轉啟動慢，輸出扭矩不足。而出現在油缸9處，則會造成剎車失靈。此外還有軸承、密封件、液壓閥、油液的清潔度等。
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