一種電動(dòng)葫蘆用減速機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：減速機(jī)是電動(dòng)葫蘆的關(guān)鍵傳動(dòng)部件，也是電動(dòng)葫蘆成本占比最大的部件，電動(dòng)葫蘆的質(zhì)量直接決定著起吊設(shè)備的可靠性，而作為關(guān)鍵傳動(dòng)部件的減速機(jī)的質(zhì)量直接決定著電動(dòng)葫蘆的可靠性。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天，企業(yè)追求的目標(biāo)是既能保證減速機(jī)的可靠性，又能降低其生產(chǎn)成本，以此來提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。鑒于此，通過選擇不同結(jié)構(gòu)的軸承以及對(duì)減速機(jī)內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的合理布局來提高減速機(jī)承載能力，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：減速機(jī);可靠性;軸承;生產(chǎn)成本;傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TH211+.3" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）24-0048-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.012

0" " 引言

電動(dòng)葫蘆作為起吊設(shè)備的關(guān)鍵零部件，目前競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)激烈，企業(yè)要想在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)一席之地，除了常規(guī)的降本增效手段外，優(yōu)化相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)理念也是一種有效的措施。

而減速機(jī)是電動(dòng)葫蘆中成本最高的部件，在經(jīng)過公司多次摸索試驗(yàn)驗(yàn)證后，通過更換軸承結(jié)構(gòu)及有關(guān)安裝方式，降低了軸承的采購成本，通過對(duì)有關(guān)承載部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)重新計(jì)算調(diào)整，適配批量加工工藝，降低了整個(gè)減速機(jī)的生產(chǎn)成本，這樣的減速機(jī)在保證了承載力的同時(shí)還有效降低了生產(chǎn)成本，進(jìn)而售價(jià)低于市面同類型產(chǎn)品，因而具有很好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1" " 電動(dòng)葫蘆概況

1.1" " 電動(dòng)葫蘆發(fā)展現(xiàn)狀

電動(dòng)葫蘆在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用非常普遍，它遍布手工業(yè)、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等各個(gè)行業(yè)，主要用于完成各種部件的堆放、轉(zhuǎn)運(yùn)等工作[1]。電動(dòng)葫蘆是一種特種起重設(shè)備，分為鋼絲繩和環(huán)鏈兩種[2]，鋼絲繩類電動(dòng)葫蘆社會(huì)需求量比較大，因此適合批量生產(chǎn)制造，因生產(chǎn)門檻不高，所以生產(chǎn)制造廠家也比較多，競(jìng)爭(zhēng)比較激烈，因此降本增效對(duì)于每個(gè)生產(chǎn)廠家來說都很重要，否則就會(huì)被市場(chǎng)淘汰。在這一背景下，安全系數(shù)比較高、重量比較重的俄羅斯系列電動(dòng)葫蘆已經(jīng)逐步退出市場(chǎng)，被既輕便又有價(jià)格優(yōu)勢(shì)的國產(chǎn)電動(dòng)葫蘆所替代。

1.2" " 減速機(jī)現(xiàn)狀

目前，國產(chǎn)的鋼絲繩類減速機(jī)已經(jīng)經(jīng)過多次優(yōu)化設(shè)計(jì)，但還是沒有從設(shè)計(jì)和工藝源頭上徹底做到成本最低的同時(shí)還能保證其安全使用性能，如果要想從源頭上進(jìn)行徹底優(yōu)化，需要經(jīng)過多次計(jì)算及相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，才能取得相應(yīng)的理想效果。

2" " 減速機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1" " 減速機(jī)使用方法

以我公司6 t減速機(jī)為例進(jìn)行減速機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的減速機(jī)安裝在電動(dòng)葫蘆上的位置如圖1所示，電動(dòng)葫蘆主要由電機(jī)1、減速機(jī)2、定位套3、連接套4、卷筒5、機(jī)架6以及軸承7等多個(gè)部件組成。減速機(jī)安裝在電動(dòng)葫蘆卷筒內(nèi)的一端，并由電機(jī)作為輸入動(dòng)力驅(qū)動(dòng)減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，卷筒右端安裝有一軸承以支撐卷筒另一端，通過控制減速機(jī)的正反轉(zhuǎn)來提升和下放重物。

2.2" " 減速機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

最大提升重物6 t，最大輸出扭矩8 400 N·m，最大輸出轉(zhuǎn)速20 r/min。

2.3" " 減速機(jī)優(yōu)化原理

減速機(jī)優(yōu)化從兩個(gè)方面開展，一是降低加工成本，二是減小整體重量和體積。

結(jié)合圖1和公式T=Fa（F為距離圓心為a時(shí)的切向力，a為力F到圓心的距離，T為力F作用到圓心時(shí)所產(chǎn)生的力矩）[3]可知，提升同樣重的重物，在卷筒直徑越小的時(shí)候，減速機(jī)所輸出的扭矩越小，進(jìn)而減速機(jī)體積越小，制造成本越低。因此，需要從減速機(jī)的直徑和長度以及減速機(jī)與卷筒的連接方式上下功夫，使得卷筒直徑最小。

2.4" " 減速機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2所示是減速機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的裝配圖，其主要由電機(jī)盤1、連接套2、銷軸3、殼體4、密封軸5、螺釘6、油封7、定位套8、軸承柱9、軸承10、連接套11、孔卡12、內(nèi)擋圈13、行星輪14、三級(jí)軸承15、軸擋16、軸卡17、太陽輪18、齒圈19、一級(jí)太陽輪20以及一級(jí)傳動(dòng)總成Ⅰ、二級(jí)傳動(dòng)總成Ⅱ、三級(jí)傳動(dòng)總成Ⅲ等主要部件組成。

2.5" " 減速機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化后的減速機(jī)主要特點(diǎn)是其在軸向和徑向尺寸上都做到了最小，進(jìn)而使得減速機(jī)體積最小、重量最輕。

在徑向上主要采取了以下措施：為了使得減速機(jī)的承載能力最大，三級(jí)傳動(dòng)總成Ⅲ采用了盡可能多的（5組）行星齒輪圍繞中間太陽輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方案，這樣使得減速機(jī)能承受更大的載荷;而為了實(shí)現(xiàn)更大的傳動(dòng)比，一級(jí)傳動(dòng)總成Ⅰ和二級(jí)傳動(dòng)總成Ⅱ分別采用了3組行星輪圍繞中間轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案。之所以這樣設(shè)計(jì)，是因?yàn)橥ㄟ^計(jì)算可知，減速機(jī)70%的承載力是由三級(jí)傳動(dòng)總成Ⅲ傳遞到減速機(jī)的齒圈19上的，同時(shí)同一級(jí)傳動(dòng)總成中行星輪數(shù)量越多，傳動(dòng)比可調(diào)整范圍越小。

為盡可能在行星輪上安裝承載力較大的軸承，一、二級(jí)軸承采用無外圈的圓柱滾子軸承，三級(jí)采用無外圈和無內(nèi)圈的圓柱滾子方案。同時(shí)，為了使軸承內(nèi)圈的壽命更長，并降低生產(chǎn)成本，三級(jí)軸承15所在軸承柱9沒有采用和殼體4一體，然后再將軸承柱9表面高頻以提高其硬度的方案，而是采用了單獨(dú)的軸承柱9和殼體4熱裝在一起并通過螺釘6緊固的方案，原因如下：一是如果采用軸承柱9和殼體4為一體的方案，殼體4就必須采用合金鋼，以便后面軸承柱9表面高頻后提高硬度，而殼體4僅僅起到承載力的作用，沒有必要采用合金鋼這樣成本較高的材料，同時(shí)軸承柱9高頻后的表面硬度及硬度穩(wěn)定性不如滲碳鋼滲碳后的效果好，最后軸承柱9只能通過銑床加工，加工效率低;二是軸承柱9和殼體4采用分體加工，可使得殼體4采用球鐵鑄造的方案，成本低廉，軸承柱9采用車削方案，加工效率高，適合批量生產(chǎn);同時(shí)三級(jí)軸承15因?yàn)橹恍枰少忀S承滾子，因此成本比普通軸承更加低廉。

為使安裝減速機(jī)的卷筒直徑最小，減速機(jī)和卷筒之間的連接不再使用止口、法蘭和螺栓連接的方式，而是將連接套11焊接到卷筒內(nèi)壁上，然后通過花鍵與減速機(jī)齒圈19連接，同時(shí)靠定位套8與卷筒進(jìn)行徑向定位，由于連接套11徑向尺寸差很小，很好地節(jié)省了徑向尺寸空間，使得卷筒直徑變得最小，從而同樣大小的減速機(jī)可以提升更重的物體。

在軸向上主要采取了以下措施：為了使減速機(jī)盡可能縮短軸向尺寸，行星輪上的軸承均安裝在懸臂的軸承柱上;同時(shí)，為了減少減速機(jī)上主軸承和密封占用的軸向空間尺寸，該主軸承采用了深溝球軸承這一類型，同時(shí)密封方式上也拋棄了傳統(tǒng)意義上的浮動(dòng)油封結(jié)構(gòu)，而是采用占用軸向尺寸更小的骨架油封結(jié)構(gòu)，且油封左側(cè)不需要軸向定位。

為解決減速機(jī)連接套2和密封軸5的軸向距離問題，將二者采用分體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而不是一體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由圖2可知，如果將連接套2和密封軸5做成一體的設(shè)計(jì)，由于連接套2所在軸直徑比密封軸5直徑小很多，因此要保證連接套2的外花鍵有效長度以及密封軸5密封處不能被加工上外花鍵，則需要將連接套2加長，以便預(yù)留出滾刀加工外花鍵的長度，從而間接增加減速機(jī)的長度。為此，連接套2和密封軸5采用分體加工方式，然后過盈配合裝配在一起，為防止二者之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，需用銷軸3將二者貫穿連接在一起。

3" " 減速機(jī)關(guān)鍵部件壽命計(jì)算

3.1" " 減速機(jī)主軸承壽命計(jì)算

該減速機(jī)主軸承采用的是一盤深溝球軸承，由于其提升重物為6 t，減速機(jī)在卷筒一側(cè)受力，因此減速機(jī)平均受到的徑向力為3 t，而通過減速機(jī)整體布局初步計(jì)算得知，該軸承型號(hào)為61834，動(dòng)載荷為61.5 kN，輸出轉(zhuǎn)速20 r/min。軸承壽命Lh計(jì)算公式如下：

式中：α1為可靠度為90%時(shí)的額定壽命修正系數(shù)（GB/T 6391—1995）;n為軸承的輸出轉(zhuǎn)速;C為軸承基本額定動(dòng)載荷;P為軸承當(dāng)量動(dòng)載荷;ε為指數(shù)，對(duì)于球軸承，ε=3[4]。

將α1=1，n=20 r/min，C=61 500 N，P=30 000 N，ε=3代入上式可以求出軸承壽命Lh=7 180 h，大于5 000 h，符合設(shè)計(jì)需求。

3.2" " 連接套11和齒圈19花鍵強(qiáng)度計(jì)算

該減速機(jī)的輸出扭矩為8 400 N·m，焊接到卷筒上的連接套11采用35鋼，減速機(jī)輸出端的齒圈19采用40Cr，采用漸開線花鍵連接，其擠壓應(yīng)力σjY由下式計(jì)算：

式中：T為轉(zhuǎn)矩;ψ為各齒間載荷不均勻系數(shù)，通常取0.7～0.8;z為齒數(shù);hg為齒的工作高度;lg為齒的工作長度;Dm為平均直徑。

對(duì)于漸開線花鍵Dm=d=zm（d為漸開線花鍵分度圓直徑，z和m分別為漸開線花鍵齒數(shù)和模數(shù)），hg=m[5]。將T=8 400 N·m，ψ=0.75，z=95，hg=2.5 mm，lg=50 mm，Dm=d=zm=95×2.5=237.5 mm代入上式可以求出σjY=7.9 MPa，小于許用擠壓應(yīng)力[σ]jY=35 MPa。因此，該處的漸開線花鍵強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4" " 減速機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對(duì)比

如圖2所示，對(duì)于沒有進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的減速機(jī)，其主要區(qū)別點(diǎn)在于：未優(yōu)化的軸承10采用的是一對(duì)圓錐滾子軸承，同時(shí)軸承右端采用鎖緊圓螺母鎖緊圓錐滾子軸承，這樣不但增加了徑向尺寸，還大大增加了軸向尺寸（試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該減速機(jī)在正常工作時(shí)基本沒有軸向載荷，因此采用深溝球軸承就可以），三級(jí)軸承15一般采用帶內(nèi)外圈的軸承或不帶外圈帶內(nèi)圈的軸承，這樣會(huì)導(dǎo)致行星輪14的內(nèi)孔尺寸比較大，齒數(shù)受到限制，同時(shí)所用軸承承載力受限。減速機(jī)和卷筒采用止口和法蘭的連接方式，法蘭和卷筒通過螺栓連接在一起，增加了卷筒的直徑。密封處的油封7采用浮動(dòng)油封結(jié)構(gòu)，連接套2和密封軸5采用了一體式結(jié)構(gòu)，增加了減速機(jī)的軸向尺寸。通過對(duì)比二者之間的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的減速機(jī)明顯更加緊湊。

5" " 結(jié)束語

本文以6 t減速機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，對(duì)現(xiàn)有的減速機(jī)從軸承、油封等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及殼體、軸承柱等的材料、加工工藝等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使得設(shè)計(jì)優(yōu)化后的減速機(jī)適合批量生產(chǎn)，有效降低了生產(chǎn)成本，從而令產(chǎn)品在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

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