功率分流式雙驅(qū)動(dòng)減速機(jī)研究

摘 要：本文提出了功率分流式雙驅(qū)動(dòng)減速機(jī)設(shè)計(jì)的整體方案、工作原理。該減速器優(yōu)化了小車結(jié)構(gòu)布局，實(shí)現(xiàn)了雙輸出同步，使得一個(gè)傳動(dòng)分支出現(xiàn)故障后另一個(gè)傳動(dòng)分支能獨(dú)立完成作業(yè)，提高了冶金起重機(jī)的可靠性。

關(guān)鍵詞：功率分流;雙驅(qū)動(dòng);減速器;冶金起重機(jī)

Abstract： The paper put forward the whole scheme design and working principle of power split dual drive reducer. The reducer optimizes structural distribution of trolley， realizes the double output synchronization， which make the other transmission branch to be able to work independently if one transmission branch failed， improve the reliability of the metallurgical crane.

Keywords： power split;dual drive;reducer;metallurgical crane

冶金起重機(jī)主起升機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)主要集中在減速機(jī)的設(shè)計(jì)上。經(jīng)過(guò)大量調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外所采用的雙卷筒用減速機(jī)，傳統(tǒng)上采用雙輸出花鍵軸或雙輸出圓柱形軸伸結(jié)構(gòu)，減速機(jī)內(nèi)部為多級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，由于單斜齒結(jié)構(gòu)上的限制使齒輪及軸承承載能力受到限制，同時(shí)一旦某個(gè)零件發(fā)生故障就會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)陷入癱瘓[1]。

功率分流雙驅(qū)動(dòng)技術(shù)采用雙驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)，可以解決以上問(wèn)題。功率分流式雙驅(qū)動(dòng)減速機(jī)是一種新型的、符合現(xiàn)代化工業(yè)需求的減速機(jī)，主要應(yīng)用于冶金企業(yè)和服務(wù)于冶金廠等工作級(jí)別較高的橋式起重機(jī)。與其他類型減速機(jī)相比，功率分流式雙驅(qū)動(dòng)減速機(jī)的承載能力更高，安全性更可靠，使用壽命長(zhǎng)，具有承載能力大、噪聲小等優(yōu)勢(shì)，且便于標(biāo)準(zhǔn)化，可滿足不同規(guī)格起重機(jī)的選型要求。

1 功率分流技術(shù)在雙驅(qū)動(dòng)減速機(jī)中的應(yīng)用

功率分流式雙驅(qū)動(dòng)減速機(jī)采用雙輸入軸端，使用2個(gè)同步電機(jī)分別裝配在有2個(gè)輸入端的輸入軸上，對(duì)減速機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其中，第一級(jí)齒輪軸上裝有一大兩小3個(gè)斜齒輪，大齒輪在齒輪軸中間，2個(gè)小齒輪參數(shù)相同且對(duì)稱布局;第二級(jí)采用雙斜齒輪進(jìn)行功率分流。這樣設(shè)計(jì)可以使軸向力相互抵消，提高了軸承受力狀況，從而提高軸承壽命，采用大螺旋角設(shè)計(jì)提高齒輪承載能力。減速器齒輪布局如圖1所示。

由于輸出軸采用2個(gè)獨(dú)立的齒輪型輸出軸，分別有各自的軸承支撐及齒輪傳動(dòng)，因此，當(dāng)一組電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，另一組能正常工作。同時(shí)，當(dāng)2組電機(jī)中任一組電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并且發(fā)出指令，使故障電機(jī)軸上的制動(dòng)器制動(dòng)松開(kāi)，另一組電機(jī)正常運(yùn)行，故障電機(jī)可以跟隨該電機(jī)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)起重機(jī)另一個(gè)傳動(dòng)分支能夠獨(dú)立完成一個(gè)操作循環(huán)[2]?？梢?jiàn)，任何一組電機(jī)或一套電控裝置發(fā)生損壞時(shí)，只要分流式齒輪能正常工作，就不會(huì)發(fā)生安全事故[3]。

2 分流式雙驅(qū)動(dòng)減速機(jī)技術(shù)難點(diǎn)

為了使功率分流式雙驅(qū)動(dòng)減速機(jī)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，要解決好以下幾個(gè)問(wèn)題：鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全性設(shè)計(jì);2套獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn);獨(dú)立的2個(gè)齒輪型輸出軸分別有各自的軸承支撐及齒輪傳動(dòng)，一個(gè)發(fā)生故障時(shí)另一個(gè)能正常工作;箱體采用中間支撐結(jié)構(gòu)，減速機(jī)具備雙重安全功能。

3 分流式雙驅(qū)動(dòng)減速機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要功能

功率分流式雙驅(qū)動(dòng)減速機(jī)由高剛度和高強(qiáng)度分流式箱體、功率分流齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、齒輪型雙輸出軸、軸承、油封和標(biāo)準(zhǔn)件等組成。其采用雙驅(qū)動(dòng)輸入，具有獨(dú)立的齒形雙輸出機(jī)構(gòu)，由2個(gè)電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)進(jìn)行工作，一個(gè)減速機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)卷筒工作。其主要具備以下功能。第一，同步運(yùn)轉(zhuǎn)功能。2組同步電機(jī)由一套電控裝置控制，通過(guò)減速機(jī)內(nèi)部的齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行功率分流，帶動(dòng)2個(gè)卷筒同步工作。

第二，2臺(tái)電機(jī)互為備用。當(dāng)其中一組電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，無(wú)須切換系統(tǒng)，未損壞的電機(jī)可短時(shí)間工作，即未損壞的電機(jī)可以使整套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)短時(shí)間工作，避免發(fā)生安全事故[4]。

第三，單側(cè)安全驅(qū)動(dòng)功能。當(dāng)使用單組電機(jī)工作的工況下由電機(jī)到分流式齒輪上的所有傳動(dòng)部件均能達(dá)到額定載荷的2倍，這些傳動(dòng)部件按照額定工作載荷進(jìn)行靜強(qiáng)度和使用壽命計(jì)算，按2倍額定工作載荷再次進(jìn)行校核[3]。起升機(jī)構(gòu)中，2組電機(jī)額定功率均按起升滿載功率的65%進(jìn)行選取，其他電氣控制設(shè)備也要滿足這一要求[2]。因此，當(dāng)起升機(jī)構(gòu)工作中2組電機(jī)中任一組電機(jī)出現(xiàn)故障，電控系統(tǒng)發(fā)出指令使該故障電機(jī)軸上的制動(dòng)器松開(kāi)，該電動(dòng)機(jī)不工作，自由隨動(dòng)，另一組電機(jī)可以將重物起升到指定位置，避免發(fā)生事故[2]。

4 功率分流式雙驅(qū)動(dòng)減速機(jī)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究者利用Inventor三維建模軟件，對(duì)整機(jī)的所有零部件進(jìn)行詳細(xì)建模，在三維模擬中對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，主要檢查各機(jī)構(gòu)的空間布局、各零部件之間的裝配干涉情況等。

減速器的鋼結(jié)構(gòu)箱體、軸承座是載荷的主要受力部件，設(shè)計(jì)計(jì)算選取KA=2.25的工況，剛度主要通過(guò)合理布置筋板位置來(lái)解決。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，依據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 3811—2008）[1]。在主要結(jié)構(gòu)件方面，為了檢驗(yàn)主要結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，研究者利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)減速器主要受力結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分析[5]。分析結(jié)果如圖2所示。

5 系列化規(guī)格生產(chǎn)

為了滿足更多客戶需求，研究者已經(jīng)設(shè)計(jì)出一系列減速機(jī)的規(guī)格和型號(hào)，型號(hào)規(guī)格如表1所示。

今后將加大研發(fā)力度，研發(fā)出更多型號(hào)減速機(jī)，滿足各種客戶要求。

6 功率分流式雙驅(qū)動(dòng)減速機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)和科學(xué)性

為了確定該減速機(jī)設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性，經(jīng)過(guò)大量調(diào)研，并且委托河南省科學(xué)技術(shù)信息研究院進(jìn)行了查新（查新報(bào)告編號(hào)：201441b0101741），得出功率分流式雙驅(qū)動(dòng)減速機(jī)有以下創(chuàng)新點(diǎn)。

第一，減速機(jī)采用雙驅(qū)動(dòng)輸入、獨(dú)立的齒形雙輸出機(jī)構(gòu)。當(dāng)其中一個(gè)減速機(jī)的輸入、輸出發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)減速機(jī)的輸入、輸出能正常工作，這樣可以防止一個(gè)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生故障時(shí)造成安全事故。

第二，采用功率分流式雙驅(qū)動(dòng)減速機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)使整機(jī)更安全穩(wěn)定、工作可靠且速度快，所以使用范圍廣，主要應(yīng)用于冶金企業(yè)和服務(wù)于冶金廠等工作級(jí)別較高的橋式起重機(jī)。

第三，采用中間支撐布局結(jié)構(gòu)，兩邊對(duì)稱分布傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)雙輸入、雙輸出，這種結(jié)構(gòu)使得箱體剛度更優(yōu)，兩個(gè)獨(dú)立的傳動(dòng)單元使傳動(dòng)效率更高且噪聲更小。

第四，采用齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，利用功率分流技術(shù)，輸出軸采用獨(dú)立的雙齒輪型輸出軸，分別有各自的軸承支撐及齒輪傳動(dòng)，一個(gè)發(fā)生故障時(shí)另一個(gè)能正常工作。所以該減速機(jī)可以增加整機(jī)的安全系數(shù)。

7 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新型的功率分流式雙驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，該減速機(jī)設(shè)計(jì)新穎，優(yōu)化了起重機(jī)小車布局，實(shí)現(xiàn)了雙輸出同步效果，提高了起重機(jī)起升系統(tǒng)的安全性和可靠性。該減速機(jī)經(jīng)大連船用柴油機(jī)廠和俄羅斯某鋼鐵企業(yè)等單位的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用驗(yàn)證，具有結(jié)構(gòu)輕巧、安全可靠、拆裝方便等特點(diǎn)，提高了起重機(jī)的可靠性，使用效果良好。

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