一种电动葫芦用减速机的结构优化设计

摘要：减速机是电动葫芦的关键传动部件，也是电动葫芦成本占比最大的部件，电动葫芦的质量直接决定着起吊设备的可靠性，而作为关键传动部件的减速机的质量直接决定着电动葫芦的可靠性。在市场竞争日趋激烈的今天，企业追求的目标是既能保证减速机的可靠性，又能降低其生产成本，以此来提高市场竞争力。鉴于此，通过选择不同结构的轴承以及对减速机内部传动结构的合理布局来提高减速机承载能力，同时降低生产成本。

关键词：减速机;可靠性;轴承;生产成本;传动结构

中图分类号：TH211+.3" " 文献标志码：A" " 文章编号：1671-0797（2024）24-0048-04

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

0" " 引言

电动葫芦作为起吊设备的关键零部件，目前竞争相当激烈，企业要想在激烈的市场竞争中占据一席之地，除了常规的降本增效手段外，优化相关设备的设计思路和设计理念也是一种有效的措施。

而减速机是电动葫芦中成本最高的部件，在经过公司多次摸索试验验证后，通过更换轴承结构及有关安装方式，降低了轴承的采购成本，通过对有关承载部件进行结构重新计算调整，适配批量加工工艺，降低了整个减速机的生产成本，这样的减速机在保证了承载力的同时还有效降低了生产成本，进而售价低于市面同类型产品，因而具有很好的市场竞争力。

1" " 电动葫芦概况

1.1" " 电动葫芦发展现状

电动葫芦在机械行业的应用非常普遍，它遍布手工业、农业和工业等各个行业，主要用于完成各种部件的堆放、转运等工作[1]。电动葫芦是一种特种起重设备，分为钢丝绳和环链两种[2]，钢丝绳类电动葫芦社会需求量比较大，因此适合批量生产制造，因生产门槛不高，所以生产制造厂家也比较多，竞争比较激烈，因此降本增效对于每个生产厂家来说都很重要，否则就会被市场淘汰。在这一背景下，安全系数比较高、重量比较重的俄罗斯系列电动葫芦已经逐步退出市场，被既轻便又有价格优势的国产电动葫芦所替代。

1.2" " 减速机现状

目前，国产的钢丝绳类减速机已经经过多次优化设计，但还是没有从设计和工艺源头上彻底做到成本最低的同时还能保证其安全使用性能，如果要想从源头上进行彻底优化，需要经过多次计算及相关试验验证，才能取得相应的理想效果。

2" " 减速机的结构设计优化

2.1" " 减速机使用方法

以我公司6 t减速机为例进行减速机的结构优化设计。优化后的减速机安装在电动葫芦上的位置如图1所示，电动葫芦主要由电机1、减速机2、定位套3、连接套4、卷筒5、机架6以及轴承7等多个部件组成。减速机安装在电动葫芦卷筒内的一端，并由电机作为输入动力驱动减速机转动，卷筒右端安装有一轴承以支撑卷筒另一端，通过控制减速机的正反转来提升和下放重物。

2.2" " 减速机主要技术参数

最大提升重物6 t，最大输出扭矩8 400 N·m，最大输出转速20 r/min。

2.3" " 减速机优化原理

减速机优化从两个方面开展，一是降低加工成本，二是减小整体重量和体积。

结合图1和公式T=Fa（F为距离圆心为a时的切向力，a为力F到圆心的距离，T为力F作用到圆心时所产生的力矩）[3]可知，提升同样重的重物，在卷筒直径越小的时候，减速机所输出的扭矩越小，进而减速机体积越小，制造成本越低。因此，需要从减速机的直径和长度以及减速机与卷筒的连接方式上下功夫，使得卷筒直径最小。

2.4" " 减速机结构

图2所示是减速机结构优化后的装配图，其主要由电机盘1、连接套2、销轴3、壳体4、密封轴5、螺钉6、油封7、定位套8、轴承柱9、轴承10、连接套11、孔卡12、内挡圈13、行星轮14、三级轴承15、轴挡16、轴卡17、太阳轮18、齿圈19、一级太阳轮20以及一级传动总成Ⅰ、二级传动总成Ⅱ、三级传动总成Ⅲ等主要部件组成。

2.5" " 减速机结构优化

优化后的减速机主要特点是其在轴向和径向尺寸上都做到了最小，进而使得减速机体积最小、重量最轻。

在径向上主要采取了以下措施：为了使得减速机的承载能力最大，三级传动总成Ⅲ采用了尽可能多的（5组）行星齿轮围绕中间太阳轮转动的方案，这样使得减速机能承受更大的载荷;而为了实现更大的传动比，一级传动总成Ⅰ和二级传动总成Ⅱ分别采用了3组行星轮围绕中间转动的设计方案。之所以这样设计，是因为通过计算可知，减速机70%的承载力是由三级传动总成Ⅲ传递到减速机的齿圈19上的，同时同一级传动总成中行星轮数量越多，传动比可调整范围越小。

为尽可能在行星轮上安装承载力较大的轴承，一、二级轴承采用无外圈的圆柱滚子轴承，三级采用无外圈和无内圈的圆柱滚子方案。同时，为了使轴承内圈的寿命更长，并降低生产成本，三级轴承15所在轴承柱9没有采用和壳体4一体，然后再将轴承柱9表面高频以提高其硬度的方案，而是采用了单独的轴承柱9和壳体4热装在一起并通过螺钉6紧固的方案，原因如下：一是如果采用轴承柱9和壳体4为一体的方案，壳体4就必须采用合金钢，以便后面轴承柱9表面高频后提高硬度，而壳体4仅仅起到承载力的作用，没有必要采用合金钢这样成本较高的材料，同时轴承柱9高频后的表面硬度及硬度稳定性不如渗碳钢渗碳后的效果好，最后轴承柱9只能通过铣床加工，加工效率低;二是轴承柱9和壳体4采用分体加工，可使得壳体4采用球铁铸造的方案，成本低廉，轴承柱9采用车削方案，加工效率高，适合批量生产;同时三级轴承15因为只需要采购轴承滚子，因此成本比普通轴承更加低廉。

为使安装减速机的卷筒直径最小，减速机和卷筒之间的连接不再使用止口、法兰和螺栓连接的方式，而是将连接套11焊接到卷筒内壁上，然后通过花键与减速机齿圈19连接，同时靠定位套8与卷筒进行径向定位，由于连接套11径向尺寸差很小，很好地节省了径向尺寸空间，使得卷筒直径变得最小，从而同样大小的减速机可以提升更重的物体。

在轴向上主要采取了以下措施：为了使减速机尽可能缩短轴向尺寸，行星轮上的轴承均安装在悬臂的轴承柱上;同时，为了减少减速机上主轴承和密封占用的轴向空间尺寸，该主轴承采用了深沟球轴承这一类型，同时密封方式上也抛弃了传统意义上的浮动油封结构，而是采用占用轴向尺寸更小的骨架油封结构，且油封左侧不需要轴向定位。

为解决减速机连接套2和密封轴5的轴向距离问题，将二者采用分体结构设计，而不是一体结构设计，由图2可知，如果将连接套2和密封轴5做成一体的设计，由于连接套2所在轴直径比密封轴5直径小很多，因此要保证连接套2的外花键有效长度以及密封轴5密封处不能被加工上外花键，则需要将连接套2加长，以便预留出滚刀加工外花键的长度，从而间接增加减速机的长度。为此，连接套2和密封轴5采用分体加工方式，然后过盈配合装配在一起，为防止二者之间发生相对滑动，需用销轴3将二者贯穿连接在一起。

3" " 减速机关键部件寿命计算

3.1" " 减速机主轴承寿命计算

该减速机主轴承采用的是一盘深沟球轴承，由于其提升重物为6 t，减速机在卷筒一侧受力，因此减速机平均受到的径向力为3 t，而通过减速机整体布局初步计算得知，该轴承型号为61834，动载荷为61.5 kN，输出转速20 r/min。轴承寿命Lh计算公式如下：

式中：α1为可靠度为90%时的额定寿命修正系数（GB/T 6391—1995）;n为轴承的输出转速;C为轴承基本额定动载荷;P为轴承当量动载荷;ε为指数，对于球轴承，ε=3[4]。

将α1=1，n=20 r/min，C=61 500 N，P=30 000 N，ε=3代入上式可以求出轴承寿命Lh=7 180 h，大于5 000 h，符合设计需求。

3.2" " 连接套11和齿圈19花键强度计算

该减速机的输出扭矩为8 400 N·m，焊接到卷筒上的连接套11采用35钢，减速机输出端的齿圈19采用40Cr，采用渐开线花键连接，其挤压应力σjY由下式计算：

式中：T为转矩;ψ为各齿间载荷不均匀系数，通常取0.7～0.8;z为齿数;hg为齿的工作高度;lg为齿的工作长度;Dm为平均直径。

对于渐开线花键Dm=d=zm（d为渐开线花键分度圆直径，z和m分别为渐开线花键齿数和模数），hg=m[5]。将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，小于许用挤压应力[σ]jY=35 MPa。因此，该处的渐开线花键强度满足设计要求。

4" " 减速机关键结构对比

如图2所示，对于没有进行结构优化和进行了结构优化的减速机，其主要区别点在于：未优化的轴承10采用的是一对圆锥滚子轴承，同时轴承右端采用锁紧圆螺母锁紧圆锥滚子轴承，这样不但增加了径向尺寸，还大大增加了轴向尺寸（试验验证表明，该减速机在正常工作时基本没有轴向载荷，因此采用深沟球轴承就可以），三级轴承15一般采用带内外圈的轴承或不带外圈带内圈的轴承，这样会导致行星轮14的内孔尺寸比较大，齿数受到限制，同时所用轴承承载力受限。减速机和卷筒采用止口和法兰的连接方式，法兰和卷筒通过螺栓连接在一起，增加了卷筒的直径。密封处的油封7采用浮动油封结构，连接套2和密封轴5采用了一体式结构，增加了减速机的轴向尺寸。通过对比二者之间的结构可以发现，结构优化后的减速机明显更加紧凑。

5" " 结束语

本文以6 t减速机的结构优化设计为例，对现有的减速机从轴承、油封等结构设计以及壳体、轴承柱等的材料、加工工艺等方面进行设计优化，使得设计优化后的减速机适合批量生产，有效降低了生产成本，从而令产品在激烈的市场竞争中具有明显的竞争优势。

[参考文献]

[1] 李慧娟.电动葫芦发展现状分析与研究[J].时代农机，2017，44（6）：93.

[2] 王晨.电动葫芦新型卷筒装置结构设计[J].科技创新导报，2017，14（1）：88.

[3] 孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学（1）[M].6版.北京：高等教育出版社，2019.

[4] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].4版.北京：高等教育出版社，2001.

[5] 徐灏.机械设计手册3[M].北京：机械工业出版社，1991.