王瓊

摘 要：基于對起重機齒輪傳動裝置輕量化技術(shù)運用的探索研究，首先要明確起重機齒輪傳動裝置輕量化技術(shù)研究的必要性，然后與起重機齒輪傳動裝置輕量化技術(shù)條件相結(jié)合，分析起重機齒輪傳動裝置輕量化關(guān)鍵技術(shù)。隨后，文章圍繞模塊化漸開線嚙合硬齒面齒輪傳動裝置、連環(huán)少齒差齒輪傳動裝置、點線嚙合齒輪傳動裝置、諧波齒輪傳動技術(shù)及無齒輪傳動技術(shù)等內(nèi)容開展深入研究，希望為相關(guān)人士提供借鑒。

關(guān)鍵詞：起重機;齒輪傳動裝置;輕量化技術(shù)

中圖分類號：TH132 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）03-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.024

近年來，隨著我國基礎(chǔ)工業(yè)與基礎(chǔ)設施建設水平的快速提高，對起重機的要求也在不斷發(fā)展。我國起重機研發(fā)制造的起步相對較晚，為了使起重機性能與質(zhì)量真正符合各行業(yè)的使用標準，創(chuàng)新優(yōu)化起重機機械結(jié)構(gòu)必須提上日程。

齒輪傳動裝置作為起重機最重要的構(gòu)成部分之一，更注重輕量化設計，在減小起重機體積與重量的基礎(chǔ)上，提高其運行總功率。因此，從齒輪傳動裝置入手對其輕量化技術(shù)開展研究，已勢在必行。

1 起重機齒輪傳動裝置輕量化技術(shù)研究的必要性

第一，在社會經(jīng)濟迅猛發(fā)展的大背景下，我國諸多行業(yè)對起重設備的年均使用率已超過30%，這就導致其對起重設備用齒輪傳動裝置的需求隨之增加。近幾年，我國傳統(tǒng)的齒輪裝置制造技術(shù)雖然得到提升，但與國際先進水平相比，高端齒輪產(chǎn)品依然存在極大的進步空間。尤其是振動噪聲與疲勞壽命更是我國高端輕量化起重機研發(fā)中難以攻克的技術(shù)。目前我國比較常見的起重機，自重、體積與運行總功率等方面亟待改進，必須在實踐與探索中成熟掌握齒輪傳動裝置輕量化技術(shù)，逐一解決這些問題。

第二，在國家經(jīng)濟快速發(fā)展的幾十年間，由高能耗與高污染問題導致的能源和資源供需矛盾越發(fā)嚴重。為積極響應中央節(jié)能減排的環(huán)保號召，在提高能源和資源利用率的前提下促進經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展，就要以起重機齒輪傳動裝置輕量化技術(shù)研究等為目標，調(diào)整與升級機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)[1]。

第三，大型起重設備能耗過高，始終是制約其運行效率與成本管理的重點問題。因此，從齒輪傳動裝置輕量化入手開展節(jié)能研究是很有必要的，一方面可以降低設備運行成本，另一方面可以強化市場競爭力，促進企業(yè)及行業(yè)在新時期實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2 起重機齒輪傳動裝置輕量化技術(shù)應用的必要前提

2.1 總則

起重機齒輪傳動裝置設計和制造要遵循以下準則：規(guī)定條件下正常運行的時間為三年;應按照我國現(xiàn)行的齒輪傳動裝置噪聲級評定標準設計，在使用聲壓級評定的情況下，則按《齒輪裝置噪聲聲功率級測定方法》附錄A進行;設定相應機組的脫扣轉(zhuǎn)速整定值，齒輪傳動裝置必須處于此范圍內(nèi);電氣組件與設備必須與現(xiàn)場安全要求相符，同時符合《爆炸和火災危險場所電力裝置設計規(guī)范》;軸承、軸封等可轉(zhuǎn)動零件和油箱等，在設計制造時必須避免濕氣與塵埃等雜質(zhì)的進入;齒輪裝置的買方應將齒輪傳動簡圖明確標注于合同中，并標明轉(zhuǎn)向[2]。

2.2 齒輪額定功率

首先，齒輪額定功率應事先與買方溝通好并標注在合同里;如果齒輪傳動裝置是原動機直接驅(qū)動的，則齒輪額定功率一般情況下要設為原動機的最大功率。

其次，如果齒輪裝置處于兩個驅(qū)動設備之間，則設計人員應充分考慮正常運行方式與非正常方式，且齒輪額定功率不能比以下兩項數(shù)值低：起重機最大功率的110%;將被驅(qū)動設備間的正常功率消耗作為根據(jù)，分攤驅(qū)動設備的最大功率。

最后，如果在轉(zhuǎn)速未超過最高連續(xù)轉(zhuǎn)速的情況下出現(xiàn)最大扭矩，則應由買方在合同中擬定扭矩和相對應的轉(zhuǎn)速，再在此基礎(chǔ)上決定齒輪尺寸。如果是透平發(fā)電機組的齒輪傳動裝置，則發(fā)電機短路造成的扭矩劇增應作為重點問題考慮。

2.3 箱體

首先，齒輪箱體剛性必須達到標準，最好能使用鑄造或焊接結(jié)構(gòu)，以保證最大載荷下轉(zhuǎn)子的對中性依然能得到保持;最少使用兩個定位銷，將箱體和底座結(jié)合面固定，同時注意盡可能縮短兩個定位銷和小齒輪軸心線的距離;無論是在過渡中或在穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時，箱體結(jié)構(gòu)均不能因溫度梯度而出現(xiàn)有害變形。

其次，最好在箱體內(nèi)部安裝油管，盡量避免外部接管。要選擇焊接結(jié)構(gòu)或法蘭連接安裝內(nèi)部接管;支撐和防護設施要格外重視，從根本上杜絕因為振動、運輸或維修等原因造成損壞;內(nèi)部管道與潤滑油管道要定期認真清理，保證箱體排油暢通，盡量減少生成油泡沫[3]。

最后，在裝置中齒輪節(jié)圓線速度超過125 m/s的情況下，應首先考慮齒輪箱，其中通常設有通氣裝置。一般情況下，應在箱體底部安裝通氣裝置。如果箱體上方不便安裝通氣裝置，則可以將其裝在箱體旁邊的排油管道上。為使齒輪副嚙合情況觀察更加便捷，還可在箱蓋上設置可開合的觀察孔。

3 起重機齒輪傳動裝置輕量化關(guān)鍵技術(shù)

3.1 模塊化漸開線嚙合硬齒面齒輪傳動裝置

模塊化構(gòu)造的理念與方法最早提出于20世紀30年代的德國，而直至其在1977年被日本引進用于柔性加工單元的研制，模塊化構(gòu)造的概念才被徹底明確并推廣。目前，國際上已有部分企業(yè)建立起標準化的模塊生產(chǎn)體系。如BFLENDER公司基于模塊化構(gòu)造方法研發(fā)的減速機，其輸入軸齒輪中心距和傳動比分別有5種且相互對應，同時還有3種輸出軸齒輪中心距和16種傳動比分別對應。再加上與16種傳動比對應的4種錐齒輪間距，構(gòu)成功率與傳動比可靈活調(diào)節(jié)的8個系列齒輪減速器。

與此同時，SEW公司作為國際上非常有影響力的企業(yè)，研發(fā)設計出了模塊組合體系，其在特殊情況下仍能給出合理的方案，可以使用最少的零件產(chǎn)出最多的機型模塊化組合體系，是集中生產(chǎn)與分散組裝模式順利實施的必要前提[4]。

3.2 連環(huán)少齒差齒輪傳動裝置

作為一類新型齒輪傳動裝置，環(huán)式減速器的原理即行星輪在雙曲柄齒輪機構(gòu)的引導下作圓周平動。與正常的齒輪傳動方式相比，連環(huán)少齒差齒輪傳動比大且效率高，同時具備體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢。

由于連環(huán)少齒差齒輪傳動裝置在運轉(zhuǎn)時屬于多齒接觸，承載能力與過載能力較強，近年來逐漸衍生出單齒環(huán)、雙齒環(huán)、三齒環(huán)、四齒環(huán)及平衡式增速與平衡式減速等裝置。這些產(chǎn)品基本上已被納入行業(yè)標準，再加上連環(huán)少齒差齒輪傳動裝置結(jié)構(gòu)特殊且裝配靈活，在一些情況下是不可替代的。以CHC系列齒輪連環(huán)少齒差減速器為例，大速比和大轉(zhuǎn)矩輸出的優(yōu)勢非常顯著。因此，裝有這種齒輪傳動裝置的起重機被廣泛應用于冶金、石油、機械、交通及建筑等領(lǐng)域[5]。

除此之外，因為連環(huán)少齒差傳動低速級齒輪傳動屬于行星齒輪傳動，此裝置中的內(nèi)嚙合齒輪副，是由1個圓柱外齒輪與3個內(nèi)齒輪板構(gòu)成的，過渡曲線干涉問題在嚙合中極易出現(xiàn)。對此，技術(shù)人員應先正確計算齒輪尺寸并設計參數(shù)，以此為基礎(chǔ)對齒輪端面嚙合進行仿真研究，計算干涉量并確保結(jié)果的精確性，盡可能降低過渡曲線干涉問題出現(xiàn)概率。連環(huán)少齒差技術(shù)是基于連環(huán)減速機技術(shù)研發(fā)的，如何使其在起重機傳動裝置輕量化中發(fā)揮更大作用需要進一步研究[6]。

3.3 點線嚙合齒輪傳動裝置

在點線嚙合齒輪傳動裝置中，由漸開線與過渡曲線共同組成齒輪工作端面的輪廓線。同時，齒面還有凹面和凸面兩種，如此能保證凹凸齒廓能在嚙合時相接觸，并形成線嚙合與點嚙合。經(jīng)實踐證明，強度提高后，以我國目前可使用的材料與加工技術(shù)水平，能進一步優(yōu)化點線嚙合齒輪減速機的體積與重量，不僅加工過程更加便捷，而且能提高齒輪性能，在保證質(zhì)量的同時節(jié)省成本。在加工過程中，技術(shù)人員要盡可能消除原本點線嚙合齒輪存在的過渡曲線干涉和旋動曲線干涉，并在準確計算干涉量且控制修形誤差的基礎(chǔ)上進行齒廓修形，這是點線嚙合齒輪性能達標的關(guān)鍵保證[7]。

我國已有部分學者對點線嚙合技術(shù)的運用效果開展研究論證，如武漢理工大學交通部港口機械質(zhì)量監(jiān)督檢測中心針對型號一致的漸開線齒輪減速機，從力學性能與噪聲兩方面開展研究。

目前，國際上非常有影響力的齒輪加工企業(yè)，如尼爾斯等，研發(fā)出了點線嚙合齒形加工程序并應用于生產(chǎn)。我國知名起重機制造企業(yè)針對硬齒面點線嚙合減速機開展了F系列與K系列的專項研制，在初步應用于起重機后已經(jīng)取得較好的效果。

3.4 諧波齒輪傳動技術(shù)

諧波齒輪傳動技術(shù)屬于少齒差傳動技術(shù)，在20世紀中期由美國人C.W.馬瑟提出。此技術(shù)最初只在尖端技術(shù)領(lǐng)域與軍事領(lǐng)域有所應用，后來逐漸滲透到民用機械中。如今，諧波齒輪減速器產(chǎn)品的生產(chǎn)已在美國、日本等國家實現(xiàn)系列化與規(guī)?；?，中國也制定了相應的規(guī)范標準。通常情況下，諧波發(fā)生器、柔性件與剛性件可組成諧波齒輪傳動結(jié)構(gòu)，圖1為單級雙波諧波齒輪減速器[8]。

諧波齒輪傳動裝置運轉(zhuǎn)的原理是通過波發(fā)生器使柔性件出現(xiàn)彈性變形，并在和剛性件相互作用的基礎(chǔ)上實現(xiàn)運動或動力的傳遞。波發(fā)生器在傳動中每回轉(zhuǎn)一周，其產(chǎn)生的柔性部件中某點循環(huán)變形的次數(shù)即波數(shù)，目前雙波傳動諧波齒輪減速器是諧波傳動中最常用的。這種減速器的特殊性主要體現(xiàn)在外周柔輪上存在至少120個齒，傳動中與內(nèi)周有齒的剛輪相嚙合，在柔輪、剛輪與波發(fā)生器相互運動的同時達成傳遞運動和動力的目的。

一般來講，技術(shù)人員可在使用前任意固定其中一個，另外兩個分別作為主動件和從動件，如果三個構(gòu)件均處于不固定的狀態(tài)，就會成為差動輪系。如果將波發(fā)生器和柔輪分別作為主動件與從動件，剛輪是固定件，則波發(fā)生器中橢圓形凸輪會旋轉(zhuǎn)于柔輪內(nèi)，進而使柔輪形態(tài)出現(xiàn)彈性變化。從橢圓形凸輪長軸的兩端看，如果剛輪輪齒與柔性齒輪開始相互嚙合，則短軸兩端的兩種齒輪會脫離諧波齒輪傳動。國際上很多企業(yè)都開始應用諧波齒輪與電機的集成技術(shù)，并將其在起重機運行傳動機構(gòu)中應用，基于諧波齒輪傳動比大的優(yōu)勢，在電機輸出后實現(xiàn)減速增矩的目的[9]。

3.5 無齒輪傳動技術(shù)

無齒輪起重機早在20世紀30年代的歐洲發(fā)達國家中便已開始研發(fā)，近年來逐漸成為業(yè)內(nèi)焦點。由于其中無須減速機，起重機的傳動裝置被簡化，在重量與體積被大幅減小的情況下，利用PLC與變頻器等現(xiàn)代智能控制系統(tǒng)，使電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩增大、轉(zhuǎn)速降低。這種技術(shù)對電機技術(shù)水平要求極高，目前仍未應用于起重設備。我國已有企業(yè)研發(fā)出世界首臺實用化的無齒輪起重機，在進一步完善后極有可能向社會推廣。

首先，這種起重設備是對傳統(tǒng)起重機設計理念的顛覆，在推動全球制造業(yè)打破阻礙與桎梏的同時，消除以往起重機使用中長期存在的噪聲、斷軸、斷齒、漏油及效率差等問題，幫助各行業(yè)及企業(yè)落實節(jié)能節(jié)材、安全環(huán)保的發(fā)展戰(zhàn)略。

其次，無齒輪傳動技術(shù)加持下的起重機，還具備智能控制等功能，相關(guān)資料信息顯示，其可承受的重量范圍為100 kg～1 000 t。

再次，傳統(tǒng)的齒輪傳動裝置要從電動機中獲取動力，減速機一級齒輪傳動后，從高速小轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變成低速大轉(zhuǎn)矩，而無齒輪傳動裝置中則是帶動卷筒運動的形式，其外部為卷筒形，能通過智能控制系統(tǒng)對其下達指令，在磁場與電流的雙重作用下形成低速、大轉(zhuǎn)矩，進而使卷筒負載運轉(zhuǎn)。

最后，無齒輪傳動裝置中使用的是多冗余控制方法，電機制動中的技術(shù)非常新穎先進，甚至在制動器完全失靈且斷電的情況下，已經(jīng)吊起的重物不會下滑。在確保下降速度未超過額定下降速度的基礎(chǔ)上，可使吊物平穩(wěn)落地，盡可能規(guī)避安全事故[10]。

4 結(jié)語

總而言之，只有加大對起重機齒輪傳動裝置輕量化技術(shù)的研究力度，才能盡快實現(xiàn)起重機設備與結(jié)構(gòu)的更新，才能在最大程度上提高起重機運行效率、質(zhì)量及安全性，進一步為我國工業(yè)領(lǐng)域與社會發(fā)展貢獻更大的推動力量。國家在未來發(fā)展中對起重機的要求必然還會不斷提升，研究人員仍要從齒輪傳動裝置輕量化技術(shù)研究入手，綜合考慮起重機設計、制造、運輸、安裝、使用與維護等多方面因素，探尋起重機性能、效率、能耗、經(jīng)濟性與環(huán)保性的最佳平衡點，使起重機能發(fā)揮更重要的作用。

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