行走機(jī)構(gòu)開(kāi)式齒輪驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

付玉婷

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，中國(guó) 上海201306）

0 引言

在岸橋上，大車行走機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)整機(jī)沿著碼頭前沿軌道作水平運(yùn)動(dòng)。大車行走機(jī)構(gòu)由設(shè)在海陸側(cè)門框下的4組行走總成組成。為使每個(gè)行走車輪受力均勻，各臺(tái)車通過(guò)中間平衡梁，大平衡梁再與門框下橫梁鉸接。岸橋每個(gè)腿的壓力通過(guò)相應(yīng)的支座法蘭或鉸軸耳板傳給大平衡梁，再通過(guò)中平衡梁，使重量均布到行走輪上。

每個(gè)大車行走總成，由一套或多套驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。電機(jī)經(jīng)減速器或開(kāi)式齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)車輪，從而實(shí)現(xiàn)起重機(jī)沿軌道行駛。大車行走機(jī)構(gòu)一般要求主動(dòng)輪數(shù)一般應(yīng)為車輪總數(shù)的一半，否則應(yīng)進(jìn)行起制動(dòng)車輪的打滑驗(yàn)算。在大風(fēng)地區(qū)有些用戶要求主動(dòng)輪數(shù)甚至達(dá)到總輪數(shù)的2/3，以便可以逆風(fēng)將岸橋行駛到錨定位置。

由于大車行走是非工作性機(jī)構(gòu)，有間歇工作的特點(diǎn)，一般電機(jī)不配置風(fēng)機(jī)，但要求良好的起動(dòng)性能和大的過(guò)載能力，必須適應(yīng)于戶外環(huán)境和高溫環(huán)境。岸橋門框下的每套行走總成的車輪數(shù)量通常有8輪，10輪和12輪。

1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動(dòng)原理

開(kāi)式齒輪的布置如圖1所示，齒輪1為主動(dòng)輪，通過(guò)中間齒輪2把轉(zhuǎn)速傳給齒輪3，使齒輪3帶動(dòng)車輪成為主動(dòng)輪，齒輪3和齒輪1應(yīng)設(shè)計(jì)成同一尺寸，減速比為1，保證齒輪通過(guò)軸傳給車輪的速度一致。

圖1

1.2 開(kāi)式齒輪的設(shè)計(jì)

現(xiàn)根據(jù)用戶需求，在保證主動(dòng)輪數(shù)量的情況下，減少電機(jī)維護(hù)，節(jié)省成本，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)及機(jī)械原理相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行齒輪的設(shè)計(jì)校核，布置一臺(tái)12輪的大車，設(shè)計(jì)一套開(kāi)式齒輪，已知條件為大車行走速度V=45.07m/s，車輪直徑D=650mm，車輪輪距L=900mm,電機(jī)轉(zhuǎn)速n=1600rmp，減速器傳動(dòng)比i1=72.486，電機(jī)額定功率P=22kW，表1中，過(guò)載系數(shù)k是輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，考慮到實(shí)際情況，如起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)所需要的功率比額定功率高，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，可選取不同的過(guò)載系數(shù)，使電機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率隨過(guò)載系數(shù)變化，從而得到比較可靠的設(shè)計(jì)結(jié)果，如本次設(shè)計(jì)輸入k=2，則電機(jī)功率P=44kW。

表1

選用的開(kāi)式齒輪為直齒圓柱齒輪，7級(jí)精度，材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理，表面淬火。本次設(shè)計(jì)還專門選取兩組模數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)比不同的模數(shù)所得到的設(shè)計(jì)校核結(jié)果，選出合適的齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)。模數(shù)m和齒輪寬度b是設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)在齒輪的設(shè)計(jì)中，要考慮齒輪的罩殼，齒輪套在車輪上，所以齒輪的離地間隙要大于等于60mm；中間齒的頂端不能超過(guò)耳板，以免與其他機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉，在滿足條件的情況下，盡量選小一些的齒輪。

表2 符號(hào)及其定義

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)上的公式，在Excel表格中，通過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)及公式的選取計(jì)算，最后進(jìn)行齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核，所取接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)SHlim=1.1，彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)SFlim=1.25，計(jì)算結(jié)果如表4所示，計(jì)算安全系數(shù)均符合要求，設(shè)計(jì)工作者根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)擇優(yōu)選取，對(duì)于本例而言，模數(shù)m=12時(shí)，齒輪寬度b可選取較小值，齒輪較輕，更受青睞，后續(xù)設(shè)計(jì)按m=12的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行。

表4

1.3 軸承的選用

設(shè)計(jì)并校核了齒輪之后，根據(jù)中間齒輪來(lái)選擇軸承型號(hào)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，選用深溝球軸承6224，但在實(shí)際使用過(guò)程中產(chǎn)生了疲勞斷裂，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)反饋，本次設(shè)計(jì)選用性能更好的圓柱滾子軸承，型號(hào)為N224E，查表得軸承的基本額定載荷Cr=322kN，預(yù)期計(jì)算壽命Lh0=30000h。由齒輪的設(shè)計(jì)算得齒輪2的轉(zhuǎn)速n2=18.714rmp選用載荷系數(shù)fp=1.8，軸承是內(nèi)嵌在齒輪里面，受力分析可知，軸承主要受來(lái)自齒輪的徑向力，當(dāng)量載荷P=fpFr，由公式

得到計(jì)算壽命Lh=1571070.16h，更加能滿足使用要求。

1.4 軸的設(shè)計(jì)

要根據(jù)軸承的承力情況，來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算中間軸，在軸的設(shè)計(jì)校核中，對(duì)于中間軸，它上面的齒輪將轉(zhuǎn)矩傳給了下一級(jí)齒輪，軸本身不轉(zhuǎn)動(dòng)，是固定軸，所以，主要是考慮其剪切應(yīng)力，擠壓應(yīng)力，并對(duì)各軸段分別進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，希望在受力較大的部位加大軸徑，在受力較小的部位減小軸徑，以便最大限度的利用材料，達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的。中間軸材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理。

圖2 軸上零件的布置示意圖，A點(diǎn)處為齒輪，B,C點(diǎn)為支持架

此次設(shè)計(jì)中的軸全長(zhǎng)L=506mm，L2=352mm，F(xiàn)1=Fr，運(yùn)用材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)，可列式

計(jì)算出F=42564.6N，F(xiàn)2=12954.4N，易知，B點(diǎn)受力最大。表5中，A、B、C處的軸徑dA、dB、dC為設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，已知參數(shù)bA、bB、bC，分別表示支撐處的寬度。

表5單位：mm

表6

在Excel表中，A、B、C處可輸入不同的軸徑，根據(jù)許用條件，即可判斷所選軸徑是否滿足安全條件，如表7中，當(dāng)出現(xiàn)OK時(shí)，安全。

表7

2 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)過(guò)程

上例開(kāi)式齒輪的設(shè)計(jì)適用于車輪直徑為650mm，輪間距為900或1050時(shí)的情況，根據(jù)相同原理，可以設(shè)計(jì)出不同車輪直徑下所需的開(kāi)式齒輪驅(qū)動(dòng)裝置的相關(guān)尺寸。當(dāng)車輪直徑800mm,輪間距為1050mm或1200mm時(shí)，在保證車輪的行走速度為45m/s，只要Excel表格制作得當(dāng)，則只需輸入基本的設(shè)計(jì)參數(shù)，就能得到所需的結(jié)果，初步判斷設(shè)計(jì)的可行性。而對(duì)于一些小型起重機(jī)，當(dāng)使用小功率電機(jī)時(shí)，如選用電機(jī)功率為P=15kW，在電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下也基本適用，從而提高了工作效率，對(duì)行業(yè)的規(guī)范，形成標(biāo)準(zhǔn)有益。

3 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)利用Excel表格不僅完成了單個(gè)開(kāi)式齒輪的設(shè)計(jì)，還根據(jù)同一原理，完成了不同車輪直徑，不同車輪間距，不同功率情況下整套開(kāi)式齒輪的設(shè)計(jì)，即常用車輪情況下整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)。由于各項(xiàng)參數(shù)變了之后，幾乎所有的設(shè)計(jì)參數(shù)都要重新選擇，Excel表格的強(qiáng)大功能，可以幫助解決這個(gè)問(wèn)題，只要帶入設(shè)計(jì)公式，在下次遇到同樣的問(wèn)題時(shí)，可以利用此表格，減少工作量。此表格可以通過(guò)選用多組參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)齒輪，對(duì)比數(shù)據(jù)，確定設(shè)計(jì)的最佳方案。

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