起重机齿轮传动装置轻量化技术分析

2018-02-17刘小晖卫孝聪

现代制造技术与装备 2018年5期

刘小晖卫孝聪

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

当前，我国社会经济快速发展，基础工业与基础设施获得长足发展，对起重机的需求不断加大。但是，就我国起重机制造现状来看，技术水平还比较低，导致实际应用出现不少问题。人们需要对起重机机械结构进行优化设计，而齿轮传动装置作为重要构件，对其进行轻量化设计，不仅可以减小整个起重机的体积和自重，同时还能够提高其运行总功率。

1 起重机齿轮传动装置轻量化设计

在市场持续改革的背景下，我国进出口贸易发展迅速，而起重机的装卸性能及其作业效率，使其成为港口重要机械设备。为满足实际应用发展，近年来，起重机逐渐向大型高速化、自重轻型化以及自动智能化等方向发展，不断调整结构，降低起重机自重，搭配计算机技术，运用驱动机构与控制系统，实现起重机的自动化控制，使得作业效率进一步提高。

经过不断调整优化，起重机传动装置结构更为紧凑，对降低整机自重具有明显效果，再加上各种新型材料的应用，以及对设备受力条件的改善，使得起重机自身承载能力更高，对环境的适应性更高。起重机大型化设计还需要兼顾能耗问题，它是影响工作效率与运行成本的重要因素。对起重机齿轮传动装置进行轻量化设计，可以从节能降耗角度出发，经过结构优化设计，达到降低开采成本与运行成本的目的，使其具有更高的市场竞争力[1]。齿轮传动装置作为起重机减重的关键配套件，人们需要提高对其的重视程度，从结构设计、轻量化材料以及轻量化制造技术等方面出发分析，达到设备重量、性能、成本的综合优化。

2 起重机齿轮传动装置轻量化方向

2.1 无齿轮传动设计

无齿轮传动技术作为早期研究对象，减少了减速机重量，使得起重机传动装置得到较大优化，整体体积与重量减小，并且利用变频器与PLC等现代化智能化控制系统，在实际应用中达到电机低转速、大转矩的要求。虽然它对传统机械形式进行一定优化，但是基于起重机机械结构特殊性和电机特点，齿轮起重机得到较大程度的应用。如果可以实现起动机的无齿轮传动设计，人们不仅可以有效解决起重机运行噪声大、断轴、断齿以及效率低等问题，还可以充分发挥安全保护、智能控制以及节能降耗优势。确定电动机为齿轮传动装置的动力源，通过减速机一级齿轮的传动，实现高速与低速、小矩到大矩的转变，使得卷筒能够持续运行，形成一个全新驱动装置，即卷筒形式的外形，搭配智能控制系统，在磁场与电流作用下，生成大转矩、低转速效果，将卷筒负载转动的功能充分发挥出来，提高起重机运行综合效果。

2.2 谐波齿轮传动技术

谐波齿轮传动技术的应用，主要就是通过谐波发生器的作用，促使柔性件内产生弹性变形，同时与刚性件相互作用，将动力与传递运动功能充分发挥出来。波动发生器在传动中回转一圈，波数可以通过柔性件上某点循环变形次数进行解释。对谐波传动工作原理进行分析，即一个内周有齿轮的钢轮与一个外周存在多齿轮的柔轮相互啮合完成传动动作，通过钢轮、波发生器以及柔轮之间的相对运动，以及柔轮可控弹性变形来达到动力传递效果。在设计时需要对三个基本构件中的一个进行固定，包括从动件与主动件，假如未有效固定，则会出现差动轮系。如果钢轮固定不变，波发生器作为主动件，从动件作为柔轮，波发生器内椭圆性凸轮在柔轮内部旋转，便只会在柔轮内发生变形。当钢轮齿轮与柔轮齿轮进入啮合状态后，将会从短轴两端的钢轮轮齿和柔轮轮齿中脱开。

2.3 少齿连环差齿轮传动技术

作为一种新型齿轮传动设备，环式减速器在机械设备制造中已经实现了有效应用。对其运行原理进行分析，可确定行星轮未进行摆线运动，其将双曲柄齿轮机构作为核心，然后带动圆周平运行，相比以往所应用的主要齿轮传动形式，此种形式在机械设备中的应用体积更小、自重轻、结构简单并且传动比更大，因此技术优势更为明显。在传动运动过程中，它存在多齿接触的情况，具有良好的承载与过载能力，在近年持续发展中，逐渐具备减速机的承载能力，可满足石油、建筑、冶金、交通、机械等领域应用要求。就实际应用效果来看，连环少齿减速装置，可实现大转矩、大速比要求，并且具备多齿一同啮合的作用，减速机承载能力更强。

3 起重机齿轮传动装置轻量化设计要点

3.1 中硬齿面、软齿面齿轮传动

我国起重机备用减速机主要应用的为ZQ系列软齿面减速机、QJ与ZQA系列中硬齿面减速机以及ZQ系列软齿面减速机。在不断发展过程中，老旧技术已经逐渐不能满足实际应用要求，对场地、厂房的承载能力以及运行空间有着更高要求，必须基于实际需求，对起重机机械设计和制造技术进行更新，以免造成材料浪费。现阶段，起重机减速机所应用的渐开线圆柱齿轮，逐渐由软齿面与中硬齿面向硬齿面发展。对比国外相关研究，SEW系列减速电机、FLENDER系列减速机产品外观更为轻巧紧凑，具有良好的免维护特性，优化了起重机整体结构，对比以往起重机设备，其无论是在高度、重量还是轮压上均有明显改善[2]。对起重机齿轮传动装置进行轻量化设计，对降低生产制造成本，减少起重机实际作业成本具有重要意义，已经成为技术研究的要点。

3.2 模块化渐开线啮合硬齿面齿轮传动

早期所提出的模块化构造，对优化起重机减速机技术具有重要指导作用，尤其是德国FLENDER公司、比利时Hansen公司已经形成标准化模块生产体系，在国际上均具有较大影响力。以FLENDER公司设计的减速机为例，其具有5种输入轴齿轮中心距，与5种传动比相对应；同时存在3种输出轴齿轮中心距，与16中传动比相对应；另外还具备4种锥齿轮锥距，与16种传动比进行对应，整体形成8个系列、具有多种功率与传动比的齿轮减速器。通过对减速机的模块化设计，构成模块组合体系，使得设备能够更好地适应普通以及特殊工况需求，均可在模块组合体系内找到理想方案，可通过最少零件来组合形成最多机型模块化体系，达到集中生产、分散组装的目的。

目前，我国起重机减速机也逐渐实现模块化设计，取得了一定成绩。例如，YNK减速器提出程序模块化与功能模块化两种设计方法。模块化减速机所需要的零件数量更少，互换性好，实际应用综合成本低，将其应用到起重机齿轮传动装置轻量化设计上具有更大优势。减速机模块化设计后，与起重机电机、卷筒等之间的连接更为简单，使得连接附件实现模块化的可能性更大，并且以国外相对成熟的研究技术为例，能够更大程度上实现标准化配置。起重机设备应用硬齿面减速机，面对相同负载和工作制的情况时，能够大幅度降低起重机设备体积、自重，实际应用效果更佳。

3.3 点线啮合齿轮传动

点线啮合齿轮传动为一种全新的圆柱齿轮传动方式，通过渐开线与过渡曲线来组成齿轮工作表面的端面轮廓线，工作表面共存在凹凸两种齿面，在啮合时会形成凹凸齿轮接触，同时形成线啮合与点啮合。对点线啮合齿轮传动方式进行分析，可确定其在面对相同条件时，接触强度和弯曲强度要更优于渐开线齿轮，运行噪声降低。以国内加工技术与原材料作为基础时，点线啮合齿轮减速机无论是机械性能还是制造与使用成本均具有更大优势。在达到性能基本要求后，人们可以进一步降低点线啮合齿轮减速机自重与体积，从而提高强度，降低综合成本。与体积与重量相同的减速机相比，点线啮合齿轮减速机性能优势更为明显，完全可弥补国内加工技术与材料存在的不足。在达到设备运行条件基础上，点线啮合齿轮减速机与国外渐开线圆柱齿轮减速机在体积、性能以及重量上存在的差异比较小，所需生产成本更少。

在点线啮合齿轮副啮合的过程中，会产生过渡曲线干涉、旋动曲线干涉，为避免其影响实际运行效果，人们需要在设计加工中采取措施来将其消除。对于干涉量，可以在设计时进行准确计算，然后对修形误差进行控制，只有在保证齿廓精确修形的情况下，才可以提高啮合齿轮性能。一般可选择应用修形滚刀来对中硬齿面的点线啮合齿轮进行修形，并二次开发数据磨齿机控制程序，开发出针对点线啮合齿轮齿高修形的控制程序，对整个修形加工过程进行科学控制。

3.4 连环少齿差动齿轮传动

连环减速器为我国所独创的全新齿轮传动装置，人们通过分析其运行原理，可确定行星轮不进行摆线动作，而是通过双曲柄齿轮机构的引导进行圆周平动。相比以往所用的齿轮传动形式，其结构设计更为简单，体积小、重量轻，具有更大传动比，在实际应用中传动效率更高。齿轮传动时会存在多齿接触，过载能力与承载能力得到进一步优化，因此其不断被应用到实际作业中，现在可选择的形式包括三齿环、单齿环、四齿环以及平衡式减速等装置。

连环少齿差传动低速级齿轮传动为行星齿轮传动，通过1个援助外齿轮与3个内齿轮板组合形成1对内啮合齿轮副。在实际研究中，人需要重视其在运行中出现的过渡曲线干涉问题，对齿轮参数与尺寸进行设计后，还需要对齿轮断端面啮合进行仿真研究，对比选择合适的算法，对干涉量做精确计算，消除过渡曲线干涉问题，提高实际运行效率。当前，连环减速机技术越来越成熟，人们可以将其应用到起重机齿轮传动装置轻量化设计中，这对实现起重机机械优化具有重要推动效果。