串接增速器的機(jī)械式同步機(jī)構(gòu)在大型起重船上的應(yīng)用

陸 紅，鄭遠(yuǎn)斌，王義程

● （中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣州 510231）

串接增速器的機(jī)械式同步機(jī)構(gòu)在大型起重船上的應(yīng)用

陸 紅，鄭遠(yuǎn)斌，王義程

● （中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣州 510231）

機(jī)械式同步機(jī)構(gòu)屬傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，因此被廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)機(jī)械設(shè)備、工程船舶中。但是當(dāng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置軸線(xiàn)為平行布置，且在低速大扭矩工況下，采用常規(guī)的帶轉(zhuǎn)向齒輪箱的機(jī)械式同步機(jī)構(gòu)雖然從原理上分析可行，但往往受到工藝上許多限制。本文介紹一種新穎的“串接增速器的機(jī)械式同步機(jī)構(gòu)”，并成功應(yīng)用于“四航奮進(jìn)”號(hào)2600t起重船的多主鉤起升機(jī)構(gòu)中，較好解決了主鉤同步問(wèn)題。

機(jī)械式同步機(jī)構(gòu)；增速器；起重船

0 引言

隨機(jī)械制造業(yè)的迅速發(fā)展，不論是陸上的工程機(jī)械還是海上工程船舶都在向大型化發(fā)展[1]。在這些設(shè)備中，經(jīng)常遇到多個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置之間有相互同步的要求，即應(yīng)用到同步機(jī)構(gòu)[1]。所謂同步機(jī)構(gòu)是指有運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)或多個(gè)零件之間需要保持有確定速度之間關(guān)系的一種裝置，如有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的零件，要求同向、等速旋轉(zhuǎn)，而滿(mǎn)足這一功能的就是一個(gè)同步機(jī)構(gòu)。由于機(jī)械式同步機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、同步傳遞精度高、工作可靠、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、故障率低，特別是在低速大扭矩工況下能長(zhǎng)期可靠的工作，因此各類(lèi)機(jī)械式同步機(jī)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備、運(yùn)輸機(jī)械、起重機(jī)械和工程船舶中。

1 問(wèn)題的提出

“四航奮進(jìn)”號(hào)2600t雙臂架固定式起重船是我國(guó)于2003年自行設(shè)計(jì)和建造的該類(lèi)型的第一艘兩千噸級(jí)以上的大型工程起重船。該起重船為固定式雙臂架結(jié)構(gòu)形式，配置四個(gè)按矩形布置的650t主鉤，最大起重量為2600t。主鉤起升機(jī)構(gòu)為液壓驅(qū)動(dòng)的大型絞車(chē)，并對(duì)應(yīng)主鉤也按矩形布置于船體后甲板上。2600t起重船總布置見(jiàn)圖1。

圖1 2600t起重船總布置圖

由于起重系統(tǒng)采用了雙臂四鉤的布局，能夠適應(yīng)海上各類(lèi)起重吊裝作業(yè)的工況要求，僅吊鉤系就可完成對(duì)被吊構(gòu)件3個(gè)自由度的調(diào)整，吊裝作業(yè)工藝性好，特別是長(zhǎng)梁寬幅結(jié)構(gòu)的重型構(gòu)件吊裝，如大型橋梁箱梁安裝、沉船打撈、海上風(fēng)電整機(jī)安裝等。但是同樣也帶來(lái)了新的問(wèn)題，在某些吊裝作業(yè)工況中，為減小和避免因4個(gè)主鉤不同步運(yùn)行產(chǎn)生的載荷轉(zhuǎn)移，該系統(tǒng)對(duì)4個(gè)主鉤的同步運(yùn)行精度也提出了相當(dāng)高的要求。

在該起重船的起重控制系統(tǒng)中，原設(shè)計(jì)了一套采用由電子編碼器、液壓控制系統(tǒng)、PLC等組成的電子軟同步器控制系統(tǒng)。但在實(shí)際的使用中，采用軟同步的四臺(tái)起重絞車(chē)有跟蹤速度慢、動(dòng)作有明顯的延時(shí)效應(yīng)，并有較大的速度損失，同步精度不理想，絞車(chē)出繩時(shí)常伴有“竄動(dòng)”的現(xiàn)象，可靠性不高，難以滿(mǎn)足起重系統(tǒng)精確同步的要求。因此努力尋求更好的軟同步或采用機(jī)械式同步機(jī)構(gòu)(俗稱(chēng)：硬同步)的方案來(lái)解決。

2 同步方案比選

方案I：在原有軟同步控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，選用高精度數(shù)字編碼器、高精度的電液比例閥作為液壓絞車(chē)的主控制閥元件，重新編程并采用合適的算法設(shè)計(jì)新的閉環(huán)同步控制系統(tǒng)軟件，從硬件(指液壓系統(tǒng)閥件)和軟件兩方面完善整個(gè)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)反復(fù)的研究和分析，軟同步方案雖然僅涉及到少量的液壓閥件和編程軟件的修改，但對(duì)絞車(chē)系統(tǒng)的硬件改變較少，如能滿(mǎn)足同步精度的要求，當(dāng)然是最好的。但該方案有許多不確定的因素，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)也沒(méi)有找到同類(lèi)控制系統(tǒng)的工程案例，雖然作了許多努力，有所改善，但還是達(dá)不到同步的精度要求，因此暫時(shí)放棄該方案。

方案II：采用機(jī)械式同步機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)一個(gè)長(zhǎng)條型的多級(jí)齒輪箱，該齒輪箱的輸入與輸出軸之間的傳動(dòng)比為1∶1、轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，實(shí)際上該齒輪箱起到一個(gè)“過(guò)橋”的作用，其輸入與輸出軸分別與前后兩臺(tái)絞車(chē)的第一級(jí)閉式減速箱的輸出軸端聯(lián)結(jié)，達(dá)到前后兩臺(tái)絞車(chē)同步的目的。但是由于前后絞車(chē)軸線(xiàn)間的距離較長(zhǎng)（約 8000mm），傳遞的扭矩較大，初步設(shè)計(jì)需6級(jí)～8級(jí)齒輪傳動(dòng)才能完成“過(guò)橋”的功能，并涉及到的硬件改造多，實(shí)際上是較難實(shí)現(xiàn)的。因此也只能放棄。

方案III：采用機(jī)械式同步機(jī)構(gòu)。由于四臺(tái)主鉤起升絞車(chē)在起重船的后甲板上成矩形布置，左右臂架的前后主鉤的絞車(chē)軸線(xiàn)成平行布置，需要在同步系統(tǒng)中設(shè)置90°轉(zhuǎn)向齒輪箱（傳動(dòng)比為1∶1的圓錐齒輪箱）來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的功能，從原理上分析可行，較容易滿(mǎn)足長(zhǎng)距離軸線(xiàn)的布置結(jié)構(gòu)。并且國(guó)內(nèi)有過(guò)類(lèi)似采用90°轉(zhuǎn)向齒輪箱進(jìn)行軸線(xiàn)相互垂直的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)之間同步聯(lián)結(jié)的成功實(shí)例。因此，同步機(jī)構(gòu)的研究方向就基本確定以方案III為主要研究方向。同步方案原理見(jiàn)圖2。

圖2 同步方案III工作原理圖

進(jìn)一步的分析研究表明，作為轉(zhuǎn)向用的齒輪箱結(jié)構(gòu)龐大，初步設(shè)計(jì)齒輪箱的箱體尺寸(不計(jì)外伸軸的尺寸)為：2200×1500×1200mm，單臺(tái)變速箱質(zhì)量約 8.6t，且由于實(shí)際可提供安裝同步器空間有限，即使花費(fèi)較高完成制造，但在四臺(tái)起升絞車(chē)中的空間位置內(nèi)較難容納下這么一套同步機(jī)構(gòu)。因此還得尋求新的技術(shù)方案解決。

方案IV：在上述采用轉(zhuǎn)向用的齒輪箱的方案基礎(chǔ)上，把僅有90°轉(zhuǎn)向功能的齒輪箱（傳動(dòng)比為1∶1的圓錐齒輪箱）改為“增速箱”，實(shí)現(xiàn)既能轉(zhuǎn)向，又有增速、降低扭矩的目的。該方案雖然國(guó)內(nèi)暫沒(méi)有在大型起重船上應(yīng)用的工程實(shí)例，但經(jīng)進(jìn)一步的理論分析和研究，基本確定方案是可行的，因此確定選擇該方案。

3 串接增速器的機(jī)械式同步機(jī)構(gòu)應(yīng)用

“四航奮進(jìn)”號(hào)2600t雙臂架固定式起重船配置有4個(gè) 650t起重能力的主鉤，需要滿(mǎn)足多種起重工況，主要有：兩兩同步作業(yè)工況（即左臂雙鉤或右臂雙鉤分別同步）、四主鉤同步工況等等。由于工藝上的某些原因，四臺(tái)起重機(jī)主鉤起升絞車(chē)按矩形位置布置在起重船的后甲板上。該四臺(tái)液壓絞車(chē)規(guī)格為2×400kN，動(dòng)力分別由兩臺(tái)大扭矩的徑向柱塞液壓馬達(dá)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)第一級(jí)閉式齒輪減速箱（減速比i=7.41），第二級(jí)減速由減速箱輸出軸上的小齒輪與絞車(chē)大卷筒上的大齒圈組成開(kāi)式齒輪傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)（減速比i=5.26）。第一級(jí)減速箱的輸出軸端傳遞的最大扭矩約200kN·m、轉(zhuǎn)速20 r/min～45r/min。

3.1 同步機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

由于本方案采用一種新穎的理念和設(shè)計(jì)方案，通過(guò)采用增速-降低傳遞扭矩的方法進(jìn)行機(jī)械能的傳遞。達(dá)到了既滿(mǎn)足轉(zhuǎn)向功能，又成倍地減小了作為同步器中起重要作用的變速箱的尺度規(guī)格的目的。

同步機(jī)構(gòu)與主絞車(chē)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)選擇了起升絞車(chē)的第一級(jí)閉式齒輪減速箱輸出軸端。經(jīng)分析和計(jì)算同步器在各種使用工況下，可能出現(xiàn)傳遞的最大扭矩值，確定了增速器的主要參數(shù)和規(guī)格，并選取了YK系列450型兩級(jí)圓錐齒輪減速箱為設(shè)計(jì)原形進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，最終確定了以南京高精齒輪廠(chǎng)的 YKL450型齒輪箱的箱體主要參數(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)改進(jìn)成為增速比i=8.325的增速箱。增速箱的主體尺寸（不計(jì)外伸軸部分的尺寸）約為：1300×700×900mm，單臺(tái)增速箱重約2.8t，僅為方案III的三分一；增速器輸出端的高速軸軸徑減小到150mm以下，尺度較長(zhǎng)的三條傳動(dòng)軸均采用φ150×10的無(wú)縫鋼管制造而成。

3.2 同步機(jī)構(gòu)的工作原理簡(jiǎn)介

該同步機(jī)構(gòu)由：4臺(tái)增速齒輪箱、6個(gè)齒合式離合器、3個(gè)萬(wàn)向十字聯(lián)軸節(jié)、聯(lián)軸器、2條縱向傳動(dòng)軸、1條橫向傳動(dòng)軸以及其他輔助機(jī)構(gòu)和零部件等組成。

離合器在機(jī)構(gòu)中起到了分、離串接同步器的功能。如圖3所示，當(dāng)各主鉤使用獨(dú)立作業(yè)工況時(shí)，1號(hào)～6號(hào)離合器全部分離；當(dāng)左、右臂架主鉤需要采用兩兩同步工況時(shí)，除橫向傳動(dòng)軸兩端的5號(hào)離合器、6號(hào)離合器處于分離狀態(tài)外，1號(hào)～4號(hào)離合器全部合上；當(dāng)需要四主鉤同步工況，1號(hào)～6號(hào)離合器全部處于接合狀態(tài)。

圖3 串接增速器的機(jī)械式同步機(jī)構(gòu)原理圖

4 實(shí)船應(yīng)用效果

本同步器通過(guò)在機(jī)構(gòu)中設(shè)置了增速器，既滿(mǎn)足了變向功能，又通過(guò)增加后級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)速、降低實(shí)際傳遞扭矩的方式，有效減少了系統(tǒng)中各零部件結(jié)構(gòu)尺寸，使機(jī)械式同步器在2600t起重船的起升系統(tǒng)中應(yīng)用成為可能。該裝置整體結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間少、同步精度高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、起升作業(yè)安全可靠，滿(mǎn)足起重船各種起重作業(yè)工況的要求。且整套同步機(jī)構(gòu)制造和配套成本較低，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

上述“串接增速器的機(jī)械式同步機(jī)構(gòu)”于2005年下半年安裝在某公司“奮進(jìn)”號(hào)2600t雙臂架固定式起重船上，使用至今，效果理想。起重船安裝同步機(jī)構(gòu)后，先后完成了浙江金塘海灣大橋和青島海灣大橋近千件2000t級(jí)的混凝土箱梁、鋼箱梁的海上安裝任務(wù)，使用性能良好。在四個(gè)主鉤接近滿(mǎn)載作業(yè)條件下運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷轉(zhuǎn)移量很小，安全可靠并發(fā)揮了起重船的最大能力，完全滿(mǎn)足和適用于大型起重船多鉤系統(tǒng)的同步要求，同步精度和效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械式同步機(jī)構(gòu)雖屬傳統(tǒng)的同步控制裝置，即使當(dāng)今機(jī)、電、光和液等控制技術(shù)已達(dá)到相當(dāng)高的水平，但機(jī)械式同步機(jī)構(gòu)仍然廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)機(jī)械、機(jī)構(gòu)之中，形式和功能也多種多樣。特別是在一些大型的工程機(jī)械和工程船舶中，由于這些設(shè)備的特殊作業(yè)條件以及惡劣的作業(yè)工況，簡(jiǎn)單的采用電、光、液等閉環(huán)同步控制系統(tǒng)也無(wú)法替代機(jī)械式同步機(jī)構(gòu)。

在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中通過(guò)串接增速器，調(diào)整了機(jī)械能傳遞過(guò)程中的轉(zhuǎn)速與扭矩這一對(duì)參數(shù)，使得在傳遞相同功率的條件下，能有效減小機(jī)構(gòu)的尺度、減小旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、提高傳遞效率。所謂的“增速器”就如同電路中的“變壓器”，與遠(yuǎn)距離傳輸電能而采用的升壓、降流和降耗的原理類(lèi)似。因此，這種機(jī)構(gòu)可延伸應(yīng)用到許多需要較長(zhǎng)距離(幾米～幾十米的距離)傳遞扭矩的機(jī)械裝置中，有著較廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

[1]吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)(上、下)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[2]西北工業(yè)大學(xué).機(jī)械設(shè)計(jì)（上冊(cè)）[M].北京:人民教育出版社,1979.

[3]CCS.船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范[S].2001.

Concatenated Speeder Mechanical Synchronous Mechanism Used in Large Floating Crane

LU Hong,ZHENG Yuan-bin,WANG Yi-cheng
(CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510231,China)

The mechanical synchronous mechanism is a traditional device.Because of its simple structure,reliable operation and wide adaptability,it is widely used in all kinds of mechanical equipments and engineering ships.Although normal mechanical synchronous mechanism with steering gear box is feasible in theory,two rotating devices are often restricted on technical when arranged in parallel axis with low speed and high torque.This paper presents a new type of accelerator mechanical synchronous mechanism,which is successfully applied in SHI HANG FEN JIN 2600t crane ship for solving the synchronization problem of the main hoisting mechanism.

mechanical synchronous mechanism; accelerator; crane ship

U661

A

陸紅（1957-），男，高級(jí)工程師。主要從事船機(jī)設(shè)備專(zhuān)業(yè)的研究。