起重機齒輪傳動裝置輕量化技術(shù)分析

劉小暉 衛(wèi)孝聰

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

當(dāng)前，我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展，基礎(chǔ)工業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施獲得長足發(fā)展，對起重機的需求不斷加大。但是，就我國起重機制造現(xiàn)狀來看，技術(shù)水平還比較低，導(dǎo)致實際應(yīng)用出現(xiàn)不少問題。人們需要對起重機機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，而齒輪傳動裝置作為重要構(gòu)件，對其進行輕量化設(shè)計，不僅可以減小整個起重機的體積和自重，同時還能夠提高其運行總功率。

1 起重機齒輪傳動裝置輕量化設(shè)計

在市場持續(xù)改革的背景下，我國進出口貿(mào)易發(fā)展迅速，而起重機的裝卸性能及其作業(yè)效率，使其成為港口重要機械設(shè)備。為滿足實際應(yīng)用發(fā)展，近年來，起重機逐漸向大型高速化、自重輕型化以及自動智能化等方向發(fā)展，不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)，降低起重機自重，搭配計算機技術(shù)，運用驅(qū)動機構(gòu)與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)起重機的自動化控制，使得作業(yè)效率進一步提高。

經(jīng)過不斷調(diào)整優(yōu)化，起重機傳動裝置結(jié)構(gòu)更為緊湊，對降低整機自重具有明顯效果，再加上各種新型材料的應(yīng)用，以及對設(shè)備受力條件的改善，使得起重機自身承載能力更高，對環(huán)境的適應(yīng)性更高。起重機大型化設(shè)計還需要兼顧能耗問題，它是影響工作效率與運行成本的重要因素。對起重機齒輪傳動裝置進行輕量化設(shè)計，可以從節(jié)能降耗角度出發(fā)，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，達到降低開采成本與運行成本的目的，使其具有更高的市場競爭力[1]。齒輪傳動裝置作為起重機減重的關(guān)鍵配套件，人們需要提高對其的重視程度，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、輕量化材料以及輕量化制造技術(shù)等方面出發(fā)分析，達到設(shè)備重量、性能、成本的綜合優(yōu)化。

2 起重機齒輪傳動裝置輕量化方向

2.1 無齒輪傳動設(shè)計

無齒輪傳動技術(shù)作為早期研究對象，減少了減速機重量，使得起重機傳動裝置得到較大優(yōu)化，整體體積與重量減小，并且利用變頻器與PLC等現(xiàn)代化智能化控制系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中達到電機低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的要求。雖然它對傳統(tǒng)機械形式進行一定優(yōu)化，但是基于起重機機械結(jié)構(gòu)特殊性和電機特點，齒輪起重機得到較大程度的應(yīng)用。如果可以實現(xiàn)起動機的無齒輪傳動設(shè)計，人們不僅可以有效解決起重機運行噪聲大、斷軸、斷齒以及效率低等問題，還可以充分發(fā)揮安全保護、智能控制以及節(jié)能降耗優(yōu)勢。確定電動機為齒輪傳動裝置的動力源，通過減速機一級齒輪的傳動，實現(xiàn)高速與低速、小矩到大矩的轉(zhuǎn)變，使得卷筒能夠持續(xù)運行，形成一個全新驅(qū)動裝置，即卷筒形式的外形，搭配智能控制系統(tǒng)，在磁場與電流作用下，生成大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速效果，將卷筒負載轉(zhuǎn)動的功能充分發(fā)揮出來，提高起重機運行綜合效果。

2.2 諧波齒輪傳動技術(shù)

諧波齒輪傳動技術(shù)的應(yīng)用，主要就是通過諧波發(fā)生器的作用，促使柔性件內(nèi)產(chǎn)生彈性變形，同時與剛性件相互作用，將動力與傳遞運動功能充分發(fā)揮出來。波動發(fā)生器在傳動中回轉(zhuǎn)一圈，波數(shù)可以通過柔性件上某點循環(huán)變形次數(shù)進行解釋。對諧波傳動工作原理進行分析，即一個內(nèi)周有齒輪的鋼輪與一個外周存在多齒輪的柔輪相互嚙合完成傳動動作，通過鋼輪、波發(fā)生器以及柔輪之間的相對運動，以及柔輪可控彈性變形來達到動力傳遞效果。在設(shè)計時需要對三個基本構(gòu)件中的一個進行固定，包括從動件與主動件，假如未有效固定，則會出現(xiàn)差動輪系。如果鋼輪固定不變，波發(fā)生器作為主動件，從動件作為柔輪，波發(fā)生器內(nèi)橢圓性凸輪在柔輪內(nèi)部旋轉(zhuǎn)，便只會在柔輪內(nèi)發(fā)生變形。當(dāng)鋼輪齒輪與柔輪齒輪進入嚙合狀態(tài)后，將會從短軸兩端的鋼輪輪齒和柔輪輪齒中脫開。

2.3 少齒連環(huán)差齒輪傳動技術(shù)

作為一種新型齒輪傳動設(shè)備，環(huán)式減速器在機械設(shè)備制造中已經(jīng)實現(xiàn)了有效應(yīng)用。對其運行原理進行分析，可確定行星輪未進行擺線運動，其將雙曲柄齒輪機構(gòu)作為核心，然后帶動圓周平運行，相比以往所應(yīng)用的主要齒輪傳動形式，此種形式在機械設(shè)備中的應(yīng)用體積更小、自重輕、結(jié)構(gòu)簡單并且傳動比更大，因此技術(shù)優(yōu)勢更為明顯。在傳動運動過程中，它存在多齒接觸的情況，具有良好的承載與過載能力，在近年持續(xù)發(fā)展中，逐漸具備減速機的承載能力，可滿足石油、建筑、冶金、交通、機械等領(lǐng)域應(yīng)用要求。就實際應(yīng)用效果來看，連環(huán)少齒減速裝置，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩、大速比要求，并且具備多齒一同嚙合的作用，減速機承載能力更強。

3 起重機齒輪傳動裝置輕量化設(shè)計要點

3.1 中硬齒面、軟齒面齒輪傳動

我國起重機備用減速機主要應(yīng)用的為ZQ系列軟齒面減速機、QJ與ZQA系列中硬齒面減速機以及ZQ系列軟齒面減速機。在不斷發(fā)展過程中，老舊技術(shù)已經(jīng)逐漸不能滿足實際應(yīng)用要求，對場地、廠房的承載能力以及運行空間有著更高要求，必須基于實際需求，對起重機機械設(shè)計和制造技術(shù)進行更新，以免造成材料浪費。現(xiàn)階段，起重機減速機所應(yīng)用的漸開線圓柱齒輪，逐漸由軟齒面與中硬齒面向硬齒面發(fā)展。對比國外相關(guān)研究，SEW系列減速電機、FLENDER系列減速機產(chǎn)品外觀更為輕巧緊湊，具有良好的免維護特性，優(yōu)化了起重機整體結(jié)構(gòu)，對比以往起重機設(shè)備，其無論是在高度、重量還是輪壓上均有明顯改善[2]。對起重機齒輪傳動裝置進行輕量化設(shè)計，對降低生產(chǎn)制造成本，減少起重機實際作業(yè)成本具有重要意義，已經(jīng)成為技術(shù)研究的要點。

3.2 模塊化漸開線嚙合硬齒面齒輪傳動

早期所提出的模塊化構(gòu)造，對優(yōu)化起重機減速機技術(shù)具有重要指導(dǎo)作用，尤其是德國FLENDER公司、比利時Hansen公司已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)化模塊生產(chǎn)體系，在國際上均具有較大影響力。以FLENDER公司設(shè)計的減速機為例，其具有5種輸入軸齒輪中心距，與5種傳動比相對應(yīng)；同時存在3種輸出軸齒輪中心距，與16中傳動比相對應(yīng)；另外還具備4種錐齒輪錐距，與16種傳動比進行對應(yīng)，整體形成8個系列、具有多種功率與傳動比的齒輪減速器。通過對減速機的模塊化設(shè)計，構(gòu)成模塊組合體系，使得設(shè)備能夠更好地適應(yīng)普通以及特殊工況需求，均可在模塊組合體系內(nèi)找到理想方案，可通過最少零件來組合形成最多機型模塊化體系，達到集中生產(chǎn)、分散組裝的目的。

目前，我國起重機減速機也逐漸實現(xiàn)模塊化設(shè)計，取得了一定成績。例如，YNK減速器提出程序模塊化與功能模塊化兩種設(shè)計方法。模塊化減速機所需要的零件數(shù)量更少，互換性好，實際應(yīng)用綜合成本低，將其應(yīng)用到起重機齒輪傳動裝置輕量化設(shè)計上具有更大優(yōu)勢。減速機模塊化設(shè)計后，與起重機電機、卷筒等之間的連接更為簡單，使得連接附件實現(xiàn)模塊化的可能性更大，并且以國外相對成熟的研究技術(shù)為例，能夠更大程度上實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化配置。起重機設(shè)備應(yīng)用硬齒面減速機，面對相同負載和工作制的情況時，能夠大幅度降低起重機設(shè)備體積、自重，實際應(yīng)用效果更佳。

3.3 點線嚙合齒輪傳動

點線嚙合齒輪傳動為一種全新的圓柱齒輪傳動方式，通過漸開線與過渡曲線來組成齒輪工作表面的端面輪廓線，工作表面共存在凹凸兩種齒面，在嚙合時會形成凹凸齒輪接觸，同時形成線嚙合與點嚙合。對點線嚙合齒輪傳動方式進行分析，可確定其在面對相同條件時，接觸強度和彎曲強度要更優(yōu)于漸開線齒輪，運行噪聲降低。以國內(nèi)加工技術(shù)與原材料作為基礎(chǔ)時，點線嚙合齒輪減速機無論是機械性能還是制造與使用成本均具有更大優(yōu)勢。在達到性能基本要求后，人們可以進一步降低點線嚙合齒輪減速機自重與體積，從而提高強度，降低綜合成本。與體積與重量相同的減速機相比，點線嚙合齒輪減速機性能優(yōu)勢更為明顯，完全可彌補國內(nèi)加工技術(shù)與材料存在的不足。在達到設(shè)備運行條件基礎(chǔ)上，點線嚙合齒輪減速機與國外漸開線圓柱齒輪減速機在體積、性能以及重量上存在的差異比較小，所需生產(chǎn)成本更少。

在點線嚙合齒輪副嚙合的過程中，會產(chǎn)生過渡曲線干涉、旋動曲線干涉，為避免其影響實際運行效果，人們需要在設(shè)計加工中采取措施來將其消除。對于干涉量，可以在設(shè)計時進行準(zhǔn)確計算，然后對修形誤差進行控制，只有在保證齒廓精確修形的情況下，才可以提高嚙合齒輪性能。一般可選擇應(yīng)用修形滾刀來對中硬齒面的點線嚙合齒輪進行修形，并二次開發(fā)數(shù)據(jù)磨齒機控制程序，開發(fā)出針對點線嚙合齒輪齒高修形的控制程序，對整個修形加工過程進行科學(xué)控制。

3.4 連環(huán)少齒差動齒輪傳動

連環(huán)減速器為我國所獨創(chuàng)的全新齒輪傳動裝置，人們通過分析其運行原理，可確定行星輪不進行擺線動作，而是通過雙曲柄齒輪機構(gòu)的引導(dǎo)進行圓周平動。相比以往所用的齒輪傳動形式，其結(jié)構(gòu)設(shè)計更為簡單，體積小、重量輕，具有更大傳動比，在實際應(yīng)用中傳動效率更高。齒輪傳動時會存在多齒接觸，過載能力與承載能力得到進一步優(yōu)化，因此其不斷被應(yīng)用到實際作業(yè)中，現(xiàn)在可選擇的形式包括三齒環(huán)、單齒環(huán)、四齒環(huán)以及平衡式減速等裝置。

連環(huán)少齒差傳動低速級齒輪傳動為行星齒輪傳動，通過1個援助外齒輪與3個內(nèi)齒輪板組合形成1對內(nèi)嚙合齒輪副。在實際研究中，人需要重視其在運行中出現(xiàn)的過渡曲線干涉問題，對齒輪參數(shù)與尺寸進行設(shè)計后，還需要對齒輪斷端面嚙合進行仿真研究，對比選擇合適的算法，對干涉量做精確計算，消除過渡曲線干涉問題，提高實際運行效率。當(dāng)前，連環(huán)減速機技術(shù)越來越成熟，人們可以將其應(yīng)用到起重機齒輪傳動裝置輕量化設(shè)計中，這對實現(xiàn)起重機機械優(yōu)化具有重要推動效果。

4 結(jié)語

為進一步提高起重機對各類作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性，人們應(yīng)在其原有基礎(chǔ)上進行機械優(yōu)化，實現(xiàn)齒輪傳動裝置輕量化設(shè)計，在降低綜合成本的同時，維持較高的作業(yè)效率，滿足實際生產(chǎn)要求。

[1]黃太池.起重機齒輪傳動裝置輕量化技術(shù)[J].化工管理，2017，（20）：195.

[2]安存勝，馬占營，聶福全.起重機齒輪傳動裝置輕量化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機械傳動，2015，39（10）：146-150.