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起重机齿轮传动装置轻量化技术的运用实践

2022-06-06王琼

科技尚品 2022年3期
关键词:起重机

王琼

摘 要:基于对起重机齿轮传动装置轻量化技术运用的探索研究,首先要明确起重机齿轮传动装置轻量化技术研究的必要性,然后与起重机齿轮传动装置轻量化技术条件相结合,分析起重机齿轮传动装置轻量化关键技术。随后,文章围绕模块化渐开线啮合硬齿面齿轮传动装置、连环少齿差齿轮传动装置、点线啮合齿轮传动装置、谐波齿轮传动技术及无齿轮传动技术等内容开展深入研究,希望为相关人士提供借鉴。

关键词:起重机;齿轮传动装置;轻量化技术

中图分类号:TH132 文献标识码:A 文章编号:1674-1064(2022)03-0-03

DOI:10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.024

近年来,随着我国基础工业与基础设施建设水平的快速提高,对起重机的要求也在不断发展。我国起重机研发制造的起步相对较晚,为了使起重机性能与质量真正符合各行业的使用标准,创新优化起重机机械结构必须提上日程。

齿轮传动装置作为起重机最重要的构成部分之一,更注重轻量化设计,在减小起重机体积与重量的基础上,提高其运行总功率。因此,从齿轮传动装置入手对其轻量化技术开展研究,已势在必行。

1 起重机齿轮传动装置轻量化技术研究的必要性

第一,在社会经济迅猛发展的大背景下,我国诸多行业对起重设备的年均使用率已超过30%,这就导致其对起重设备用齿轮传动装置的需求随之增加。近几年,我国传统的齿轮装置制造技术虽然得到提升,但与国际先进水平相比,高端齿轮产品依然存在极大的进步空间。尤其是振动噪声与疲劳寿命更是我国高端轻量化起重机研发中难以攻克的技术。目前我国比较常见的起重机,自重、体积与运行总功率等方面亟待改进,必须在实践与探索中成熟掌握齿轮传动装置轻量化技术,逐一解决这些问题。

第二,在国家经济快速发展的几十年间,由高能耗与高污染问题导致的能源和资源供需矛盾越发严重。为积极响应中央节能减排的环保号召,在提高能源和资源利用率的前提下促进经济的稳步发展,就要以起重机齿轮传动装置轻量化技术研究等为目标,调整与升级机械产品结构[1]。

第三,大型起重设备能耗过高,始终是制约其运行效率与成本管理的重点问题。因此,从齿轮传动装置轻量化入手开展节能研究是很有必要的,一方面可以降低设备运行成本,另一方面可以强化市场竞争力,促进企业及行业在新时期实现可持续发展。

2 起重机齿轮传动装置轻量化技术应用的必要前提

2.1 总则

起重机齿轮传动装置设计和制造要遵循以下准则:规定条件下正常运行的时间为三年;应按照我国现行的齿轮传动装置噪声级评定标准设计,在使用声压级评定的情况下,则按《齿轮装置噪声声功率级测定方法》附录A进行;设定相应机组的脱扣转速整定值,齿轮传动装置必须处于此范围内;电气组件与设备必须与现场安全要求相符,同时符合《爆炸和火灾危险场所电力装置设计规范》;轴承、轴封等可转动零件和油箱等,在设计制造时必须避免湿气与尘埃等杂质的进入;齿轮装置的买方应将齿轮传动简图明确标注于合同中,并标明转向[2]。

2.2 齿轮额定功率

首先,齿轮额定功率应事先与买方沟通好并标注在合同里;如果齿轮传动装置是原动机直接驱动的,则齿轮额定功率一般情况下要设为原动机的最大功率。

其次,如果齿轮装置处于两个驱动设备之间,则设计人员应充分考虑正常运行方式与非正常方式,且齿轮额定功率不能比以下两项数值低:起重机最大功率的110%;将被驱动设备间的正常功率消耗作为根据,分摊驱动设备的最大功率。

最后,如果在轉速未超过最高连续转速的情况下出现最大扭矩,则应由买方在合同中拟定扭矩和相对应的转速,再在此基础上决定齿轮尺寸。如果是透平发电机组的齿轮传动装置,则发电机短路造成的扭矩剧增应作为重点问题考虑。

2.3 箱体

首先,齿轮箱体刚性必须达到标准,最好能使用铸造或焊接结构,以保证最大载荷下转子的对中性依然能得到保持;最少使用两个定位销,将箱体和底座结合面固定,同时注意尽可能缩短两个定位销和小齿轮轴心线的距离;无论是在过渡中或在稳态运转时,箱体结构均不能因温度梯度而出现有害变形。

其次,最好在箱体内部安装油管,尽量避免外部接管。要选择焊接结构或法兰连接安装内部接管;支撑和防护设施要格外重视,从根本上杜绝因为振动、运输或维修等原因造成损坏;内部管道与润滑油管道要定期认真清理,保证箱体排油畅通,尽量减少生成油泡沫[3]。

最后,在装置中齿轮节圆线速度超过125 m/s的情况下,应首先考虑齿轮箱,其中通常设有通气装置。一般情况下,应在箱体底部安装通气装置。如果箱体上方不便安装通气装置,则可以将其装在箱体旁边的排油管道上。为使齿轮副啮合情况观察更加便捷,还可在箱盖上设置可开合的观察孔。

3 起重机齿轮传动装置轻量化关键技术

3.1 模块化渐开线啮合硬齿面齿轮传动装置

模块化构造的理念与方法最早提出于20世纪30年代的德国,而直至其在1977年被日本引进用于柔性加工单元的研制,模块化构造的概念才被彻底明确并推广。目前,国际上已有部分企业建立起标准化的模块生产体系。如BFLENDER公司基于模块化构造方法研发的减速机,其输入轴齿轮中心距和传动比分别有5种且相互对应,同时还有3种输出轴齿轮中心距和16种传动比分别对应。再加上与16种传动比对应的4种锥齿轮间距,构成功率与传动比可灵活调节的8个系列齿轮减速器。

与此同时,SEW公司作为国际上非常有影响力的企业,研发设计出了模块组合体系,其在特殊情况下仍能给出合理的方案,可以使用最少的零件产出最多的机型模块化组合体系,是集中生产与分散组装模式顺利实施的必要前提[4]。

3.2 连环少齿差齿轮传动装置

作为一类新型齿轮传动装置,环式减速器的原理即行星轮在双曲柄齿轮机构的引导下作圆周平动。与正常的齿轮传动方式相比,连环少齿差齿轮传动比大且效率高,同时具备体积小、重量轻、结构简单的优势。

由于连环少齿差齿轮传动装置在运转时属于多齿接触,承载能力与过载能力较强,近年来逐渐衍生出单齿环、双齿环、三齿环、四齿环及平衡式增速与平衡式减速等装置。这些产品基本上已被纳入行业标准,再加上连环少齿差齿轮传动装置结构特殊且装配灵活,在一些情况下是不可替代的。以CHC系列齿轮连环少齿差减速器为例,大速比和大转矩输出的优势非常显著。因此,装有这种齿轮传动装置的起重机被广泛应用于冶金、石油、机械、交通及建筑等领域[5]。

除此之外,因为连环少齿差传动低速级齿轮传动属于行星齿轮传动,此装置中的内啮合齿轮副,是由1个圆柱外齿轮与3个内齿轮板构成的,过渡曲线干涉问题在啮合中极易出现。对此,技术人员应先正确计算齿轮尺寸并设计参数,以此为基础对齿轮端面啮合进行仿真研究,计算干涉量并确保结果的精确性,尽可能降低过渡曲线干涉问题出现概率。连环少齿差技术是基于连环减速机技术研发的,如何使其在起重机传动装置轻量化中发挥更大作用需要进一步研究[6]。

3.3 点线啮合齿轮传动装置

在点线啮合齿轮传动装置中,由渐开线与过渡曲线共同组成齿轮工作端面的轮廓线。同时,齿面还有凹面和凸面两种,如此能保证凹凸齿廓能在啮合时相接触,并形成线啮合与点啮合。经实践证明,强度提高后,以我国目前可使用的材料与加工技术水平,能进一步优化点线啮合齿轮减速机的体积与重量,不仅加工过程更加便捷,而且能提高齿轮性能,在保证质量的同时节省成本。在加工过程中,技术人员要尽可能消除原本点线啮合齿轮存在的过渡曲线干涉和旋动曲线干涉,并在准确计算干涉量且控制修形误差的基础上进行齿廓修形,这是点线啮合齿轮性能达标的关键保证[7]。

我国已有部分学者对點线啮合技术的运用效果开展研究论证,如武汉理工大学交通部港口机械质量监督检测中心针对型号一致的渐开线齿轮减速机,从力学性能与噪声两方面开展研究。

目前,国际上非常有影响力的齿轮加工企业,如尼尔斯等,研发出了点线啮合齿形加工程序并应用于生产。我国知名起重机制造企业针对硬齿面点线啮合减速机开展了F系列与K系列的专项研制,在初步应用于起重机后已经取得较好的效果。

3.4 谐波齿轮传动技术

谐波齿轮传动技术属于少齿差传动技术,在20世纪中期由美国人C.W.马瑟提出。此技术最初只在尖端技术领域与军事领域有所应用,后来逐渐渗透到民用机械中。如今,谐波齿轮减速器产品的生产已在美国、日本等国家实现系列化与规模化,中国也制定了相应的规范标准。通常情况下,谐波发生器、柔性件与刚性件可组成谐波齿轮传动结构,图1为单级双波谐波齿轮减速器[8]。

谐波齿轮传动装置运转的原理是通过波发生器使柔性件出现弹性变形,并在和刚性件相互作用的基础上实现运动或动力的传递。波发生器在传动中每回转一周,其产生的柔性部件中某点循环变形的次数即波数,目前双波传动谐波齿轮减速器是谐波传动中最常用的。这种减速器的特殊性主要体现在外周柔轮上存在至少120个齿,传动中与内周有齿的刚轮相啮合,在柔轮、刚轮与波发生器相互运动的同时达成传递运动和动力的目的。

一般来讲,技术人员可在使用前任意固定其中一个,另外两个分别作为主动件和从动件,如果三个构件均处于不固定的状态,就会成为差动轮系。如果将波发生器和柔轮分别作为主动件与从动件,刚轮是固定件,则波发生器中椭圆形凸轮会旋转于柔轮内,进而使柔轮形态出现弹性变化。从椭圆形凸轮长轴的两端看,如果刚轮轮齿与柔性齿轮开始相互啮合,则短轴两端的两种齿轮会脱离谐波齿轮传动。国际上很多企业都开始应用谐波齿轮与电机的集成技术,并将其在起重机运行传动机构中应用,基于谐波齿轮传动比大的优势,在电机输出后实现减速增矩的目的[9]。

3.5 无齿轮传动技术

无齿轮起重机早在20世纪30年代的欧洲发达国家中便已开始研发,近年来逐渐成为业内焦点。由于其中无须减速机,起重机的传动装置被简化,在重量与体积被大幅减小的情况下,利用PLC与变频器等现代智能控制系统,使电机驱动的转矩增大、转速降低。这种技术对电机技术水平要求极高,目前仍未应用于起重设备。我国已有企业研发出世界首台实用化的无齿轮起重机,在进一步完善后极有可能向社会推广。

首先,这种起重设备是对传统起重机设计理念的颠覆,在推动全球制造业打破阻碍与桎梏的同时,消除以往起重机使用中长期存在的噪声、断轴、断齿、漏油及效率差等问题,帮助各行业及企业落实节能节材、安全环保的发展战略。

其次,无齿轮传动技术加持下的起重机,还具备智能控制等功能,相关资料信息显示,其可承受的重量范围为100 kg~1 000 t。

再次,传统的齿轮传动装置要从电动机中获取动力,减速机一级齿轮传动后,从高速小转矩转变成低速大转矩,而无齿轮传动装置中则是带动卷筒运动的形式,其外部为卷筒形,能通过智能控制系统对其下达指令,在磁场与电流的双重作用下形成低速、大转矩,进而使卷筒负载运转。

最后,无齿轮传动装置中使用的是多冗余控制方法,电机制动中的技术非常新颖先进,甚至在制动器完全失灵且断电的情况下,已经吊起的重物不会下滑。在确保下降速度未超过额定下降速度的基础上,可使吊物平稳落地,尽可能规避安全事故[10]。

4 结语

总而言之,只有加大对起重机齿轮传动装置轻量化技术的研究力度,才能尽快实现起重机设备与结构的更新,才能在最大程度上提高起重机运行效率、质量及安全性,进一步为我国工业领域与社会发展贡献更大的推动力量。国家在未来发展中对起重机的要求必然还会不断提升,研究人员仍要从齿轮传动装置轻量化技术研究入手,综合考虑起重机设计、制造、运输、安装、使用与维护等多方面因素,探寻起重机性能、效率、能耗、经济性与环保性的最佳平衡点,使起重机能发挥更重要的作用。

参考文献

[1] 黄太池.起重机齿轮传动装置轻量化技术[J].化工管理,2017(20):195.

[2] 安存胜,马占营,聂福全.起重机齿轮传动装置轻量化技术应用现状及发展趋势[J].机械传动,2015(10):146-150.

[3] 刘小晖,卫孝聪.起重机齿轮传动装置轻量化技术分析[J].现代制造技术与装备,2018(5):28-29.

[4] 黎家盛.一种新型起重机吊臂的轻量化的设计与研究[J].中国科技投资,2018(6):283.

[5] 崔文斌.减速器齿轮传动系统轻量化技术研究[J].低碳世界,2017(12):77-78.

[6] 杨宁.冶金机械齿轮传动装置的制造技术与发展趋势[J].中小企业管理与科技,2016(5):233-234.

[7] 孔德文.大型齿轮传动装置动力学及故障诊断技术研究[D].长春:吉林大学,2008.

[8] 杜航.减速器齿轮传动系统轻量化技术研究[J].科技展望,2017(25):64.

[9] 王振,乔雪涛,刘忠明.大型齿轮调速装置研究现状与关键技术分析[J].机械传动,2012(12):117-120,125.

[10] 张金强,云建平,王海军.起重机齿轮传动装置轻量化技术分析[J].建筑工程技术与设计,2018(36):708.

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