起重機(jī)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(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

當(dāng)前，我國社會經(jīng)濟(jì)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(jī)的需求不斷加大。但是，就我國起重機(jī)制造現(xiàn)狀來看，技術(shù)水平還比較低，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用出現(xiàn)不少問題。人們需要對起重機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，而齒輪傳動裝置作為重要構(gòu)件，對其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，不僅可以減小整個(gè)起重機(jī)的體積和自重，同時(shí)還能夠提高其運(yùn)行總功率。

1 起重機(jī)齒輪傳動裝置輕量化設(shè)計(jì)

在市場持續(xù)改革的背景下，我國進(jìn)出口貿(mào)易發(fā)展迅速，而起重機(jī)的裝卸性能及其作業(yè)效率，使其成為港口重要機(jī)械設(shè)備。為滿足實(shí)際應(yīng)用發(fā)展，近年來，起重機(jī)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(jī)自重，搭配計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用驅(qū)動機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的自動化控制，使得作業(yè)效率進(jìn)一步提高。

經(jīng)過不斷調(diào)整優(yōu)化，起重機(jī)傳動裝置結(jié)構(gòu)更為緊湊，對降低整機(jī)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(jī)自身承載能力更高，對環(huán)境的適應(yīng)性更高。起重機(jī)大型化設(shè)計(jì)還需要兼顧能耗問題，它是影響工作效率與運(yùn)行成本的重要因素。對起重機(jī)齒輪傳動裝置進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，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(jì)，達(dá)到降低開采成本與運(yùn)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(jī)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(jì)、輕量化材料以及輕量化制造技術(shù)等方面出發(fā)分析，達(dá)到設(shè)備重量、性能、成本的綜合優(yōu)化。

2 起重機(jī)齒輪傳動裝置輕量化方向

2.1 無齒輪傳動設(shè)計(jì)

無齒輪傳動技術(shù)作為早期研究對象，減少了減速機(jī)重量，使得起重機(jī)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(shí)際應(yīng)用中達(dá)到電機(jī)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的要求。雖然它對傳統(tǒng)機(jī)械形式進(jìn)行一定優(yōu)化，但是基于起重機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)特殊性和電機(jī)特點(diǎn)，齒輪起重機(jī)得到較大程度的應(yīng)用。如果可以實(shí)現(xiàn)起動機(jī)的無齒輪傳動設(shè)計(jì)，人們不僅可以有效解決起重機(jī)運(yùn)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(hù)、智能控制以及節(jié)能降耗優(yōu)勢。確定電動機(jī)為齒輪傳動裝置的動力源，通過減速機(jī)一級齒輪的傳動，實(shí)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(yùn)行，形成一個(gè)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(fù)載轉(zhuǎn)動的功能充分發(fā)揮出來，提高起重機(jī)運(yùn)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(shí)與剛性件相互作用，將動力與傳遞運(yùn)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(diǎn)循環(huán)變形次數(shù)進(jìn)行解釋。對諧波傳動工作原理進(jìn)行分析，即一個(gè)內(nèi)周有齒輪的鋼輪與一個(gè)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(yùn)動，以及柔輪可控彈性變形來達(dá)到動力傳遞效果。在設(shè)計(jì)時(shí)需要對三個(gè)基本構(gòu)件中的一個(gè)進(jìn)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(jìn)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(jī)械設(shè)備制造中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了有效應(yīng)用。對其運(yùn)行原理進(jìn)行分析，可確定行星輪未進(jìn)行擺線運(yùn)動，其將雙曲柄齒輪機(jī)構(gòu)作為核心，然后帶動圓周平運(yùn)行，相比以往所應(yīng)用的主要齒輪傳動形式，此種形式在機(jī)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(yùn)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(jī)的承載能力，可滿足石油、建筑、冶金、交通、機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用要求。就實(shí)際應(yīng)用效果來看，連環(huán)少齒減速裝置，可實(shí)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(jī)承載能力更強(qiáng)。

3 起重機(jī)齒輪傳動裝置輕量化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 中硬齒面、軟齒面齒輪傳動

我國起重機(jī)備用減速機(jī)主要應(yīng)用的為ZQ系列軟齒面減速機(jī)、QJ與ZQA系列中硬齒面減速機(jī)以及ZQ系列軟齒面減速機(jī)。在不斷發(fā)展過程中，老舊技術(shù)已經(jīng)逐漸不能滿足實(shí)際應(yīng)用要求，對場地、廠房的承載能力以及運(yùn)行空間有著更高要求，必須基于實(shí)際需求，對起重機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)和制造技術(shù)進(jìn)行更新，以免造成材料浪費(fèi)。現(xiàn)階段，起重機(jī)減速機(jī)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(jī)、FLENDER系列減速機(jī)產(chǎn)品外觀更為輕巧緊湊，具有良好的免維護(hù)特性，優(yōu)化了起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)，對比以往起重機(jī)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(jī)齒輪傳動裝置進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，對降低生產(chǎn)制造成本，減少起重機(jī)實(shí)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(diǎn)。

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(jī)減速機(jī)技術(shù)具有重要指導(dǎo)作用，尤其是德國FLENDER公司、比利時(shí)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(jì)的減速機(jī)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(shí)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(jìn)行對應(yīng)，整體形成8個(gè)系列、具有多種功率與傳動比的齒輪減速器。通過對減速機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)，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(jī)型模塊化體系，達(dá)到集中生產(chǎn)、分散組裝的目的。

目前，我國起重機(jī)減速機(jī)也逐漸實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，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(jì)方法。模塊化減速機(jī)所需要的零件數(shù)量更少，互換性好，實(shí)際應(yīng)用綜合成本低，將其應(yīng)用到起重機(jī)齒輪傳動裝置輕量化設(shè)計(jì)上具有更大優(yōu)勢。減速機(jī)模塊化設(shè)計(jì)后，與起重機(jī)電機(jī)、卷筒等之間的連接更為簡單，使得連接附件實(shí)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化配置。起重機(jī)設(shè)備應(yīng)用硬齒面減速機(jī)，面對相同負(fù)載和工作制的情況時(shí)，能夠大幅度降低起重機(jī)設(shè)備體積、自重，實(shí)際應(yīng)用效果更佳。

3.3 點(diǎn)線嚙合齒輪傳動

點(diǎn)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(shí)會形成凹凸齒輪接觸，同時(shí)形成線嚙合與點(diǎn)嚙合。對點(diǎn)線嚙合齒輪傳動方式進(jìn)行分析，可確定其在面對相同條件時(shí)，接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度要更優(yōu)于漸開線齒輪，運(yùn)行噪聲降低。以國內(nèi)加工技術(shù)與原材料作為基礎(chǔ)時(shí)，點(diǎn)線嚙合齒輪減速機(jī)無論是機(jī)械性能還是制造與使用成本均具有更大優(yōu)勢。在達(dá)到性能基本要求后，人們可以進(jìn)一步降低點(diǎn)線嚙合齒輪減速機(jī)自重與體積，從而提高強(qiáng)度，降低綜合成本。與體積與重量相同的減速機(jī)相比，點(diǎn)線嚙合齒輪減速機(jī)性能優(yōu)勢更為明顯，完全可彌補(bǔ)國內(nèi)加工技術(shù)與材料存在的不足。在達(dá)到設(shè)備運(yùn)行條件基礎(chǔ)上，點(diǎn)線嚙合齒輪減速機(jī)與國外漸開線圓柱齒輪減速機(jī)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(diǎn)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(shí)際運(yùn)行效果，人們需要在設(shè)計(jì)加工中采取措施來將其消除。對于干涉量，可以在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，然后對修形誤差進(jìn)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(diǎn)線嚙合齒輪進(jìn)行修形，并二次開發(fā)數(shù)據(jù)磨齒機(jī)控制程序，開發(fā)出針對點(diǎn)線嚙合齒輪齒高修形的控制程序，對整個(gè)修形加工過程進(jìn)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(dú)創(chuàng)的全新齒輪傳動裝置，人們通過分析其運(yùn)行原理，可確定行星輪不進(jìn)行擺線動作，而是通過雙曲柄齒輪機(jī)構(gòu)的引導(dǎo)進(jìn)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(jì)更為簡單，體積小、重量輕，具有更大傳動比，在實(shí)際應(yīng)用中傳動效率更高。齒輪傳動時(shí)會存在多齒接觸，過載能力與承載能力得到進(jìn)一步優(yōu)化，因此其不斷被應(yīng)用到實(shí)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(gè)援助外齒輪與3個(gè)內(nèi)齒輪板組合形成1對內(nèi)嚙合齒輪副。在實(shí)際研究中，人需要重視其在運(yùn)行中出現(xiàn)的過渡曲線干涉問題，對齒輪參數(shù)與尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)后，還需要對齒輪斷端面嚙合進(jìn)行仿真研究，對比選擇合適的算法，對干涉量做精確計(jì)算，消除過渡曲線干涉問題，提高實(shí)際運(yùn)行效率。當(dāng)前，連環(huán)減速機(jī)技術(shù)越來越成熟，人們可以將其應(yīng)用到起重機(jī)齒輪傳動裝置輕量化設(shè)計(jì)中，這對實(shí)現(xiàn)起重機(jī)機(jī)械優(yōu)化具有重要推動效果。

4 結(jié)語

為進(jìn)一步提高起重機(jī)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(jìn)行機(jī)械優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)齒輪傳動裝置輕量化設(shè)計(jì)，在降低綜合成本的同時(shí)，維持較高的作業(yè)效率，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

[1]黃太池.起重機(jī)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(jī)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(jī)械傳動，2015，39（10）：146-150.