起重機械減速器的輕量化技術研究

起重機械最核心的部件是卷揚機構、回轉機構、變幅機構及行走機構。這些機構大多采用定軸齒輪減速器。這種減速器存在體積大、質量大、效率低和噪聲高等缺陷，制約了起重機械向大噸位、高性能、高效率和高可靠性方向發展。

本文從行星減速器的結構特點及在起重機上的應用角度，探討研究零部件的輕量化技術，以推廣行星減速器的應用，實現起重機械輕量化目標。

1 特點分析

(1)行星減速器優點

行星傳動減速器與普通定軸減速器相比，具有體積小、質量小、結構緊湊、承載能力高等優點。其每組行星單元有3～7個行星齒輪，可進行載荷分流；它采用內齒輪傳動，徑向尺寸小，承載能力高，輸入與輸出軸共軸線，大大減小了長度尺寸；其齒輪殼體采用內齒圈設計，替代了定軸減速器的龐大箱體。

行星傳動有附加運動，能容易地實現較大的傳動比，采用對稱的分流傳動結構，有利于提高傳動效率。由于行星齒輪均勻分布，能使慣性力相互平衡，故行星減速器運動平穩，抗沖擊和振動能力較強。

(2)行星差速傳動減速器

重型起重機減速器一般采用多級行星差速傳動減速器。一般行星傳動采用多級行星串聯傳動，靠末級行星傳動承擔載荷輸出。如圖1所示，載荷輸出由末級行星架與卷筒連接并輸出時，末級行星傳動的體積會很大。而行星差速傳動能將多級行星單元共同傳動到齒圈輸出，如圖2顯示的是3級行星齒輪都傳遞到齒圈共同輸出，圖3顯示的是齒圈與卷筒連接并輸出。當行星差速傳動減速器與一般行星傳動減速器制造和工作條件相同時，行星差速傳動減速器質量能減輕20％以上。因此行星差速傳動是減速器輕量化的關鍵技術，其與定軸齒輪減速器參數對比如附表所示。

(3)硬齒面齒輪熱處理

采用硬齒面齒輪傳動替代軟齒面或中硬齒面齒輪傳動，在一定范圍內可使減速器輕量化。對外齒輪采用優質滲碳鋼并經滲碳淬火處理，表面硬度可達到58～62HRC，與調質齒輪比較接觸強度成倍增長，而彎曲強度比調質齒輪約增加50％以上。對內齒輪采用高級合金結構鋼并經調質、氮化處理后，心部硬度可達270～310HB，表面硬度可達550～700HV，齒面接觸強度明顯提高，能承擔更大的載荷。資料介紹，某軋機減速器用硬齒面齒輪替代調質齒輪后質量減輕40％，減速器速度成倍度提高。

(4)齒輪修形

為了減小嚙合沖擊，改善齒面潤滑狀態，降低嚙合噪聲，需對齒輪的齒形和齒向進行修整。如需改善某些高速齒輪嚙合質量，還應增大齒輪的齒高系數，以使其彎曲變形會更大。對承載能力高、精度等級高的硬齒面齒輪采用齒輪齒形和齒向修形技術，不僅能提高齒輪接觸精度和嚙合質量，還能提高許用節圓線速度40％左右。

(5)新材料應用

隨著上述硬齒面齒輪的采用，齒輪的材料也發生了較大變化，與常用的20CrMnTi比較，在硬齒面齒輪材料中，20CrMnMo材料抗拉強度、沖擊值提高10％，17Cr2Ni4材料抗拉強度、沖擊值提高30％，采用42CrMo整體鍛造的行星架比鑄造或組合的行星架質量減輕30％以上。采用增加淬透性的材料，也有助于提高大模數齒輪的心部硬度，從而提高大模數齒輪的彎曲強度。此外，可采用新型粉末冶金多摩擦片式制動替代尺寸龐大的帶式制動或鉗盤式制動。

2 技術研究

(1)嚙合參數的選擇

在行星齒輪計算中嚙合角或變位系數的選擇，對減速器的承載能力、使用壽命、減小尺寸和減輕質量特別重要，在常用傳動形式(NGW)傳動中，外嚙合的接觸強度和彎曲強度低于內嚙合。在保證外齒輪嚙合重合度及齒頂變尖等條件限制的情況下，合理選擇齒輪嚙合角和變位系數是減速器輕量化的有效途徑。

(2)新型均載結構

行星傳動減速器每組行星單元中多個行星齒輪的載荷應均勻分布，方案有二：

一是將每組行星齒輪的齒厚做成一致，并使齒輪齒部達到國家標準的6級精度。此時行星架的行星軸線位置度誤差不得大于形位公差國家標準的5級。

二是使每組零部件浮動。減速器中的太陽輪、行星架浮動，可在行星齒輪受力時自動找平衡，使每個行星齒輪的受力均勻，從而實現行星齒輪的載荷分布均勻、運轉平穩、承載能力提高。

(3)新型制動器

新型行星減速器采用內置制動器替代結構龐大的帶式制動器和鉗盤式制動器，因此制動可靠、使用壽命長。內置制動器采用濕式多摩擦片式制動，由多組主動片和從動片組成，主動片采用彈簧鋼并經淬火處理，從動片采用銅基或紙基粉末冶金摩擦材料。制動摩擦片通過彈簧、活塞壓緊閉合，實現行星減速器的駐車制動。解除制動時，油液壓力推動活塞動作，活塞克服彈簧力而使摩擦片分離，行星減速器得以正常運轉。

(4)浮封環密封方式

浮封環密封的特點是能承受齒輪箱一定的內部壓力，并能阻擋外部的泥水及灰塵，特別適合大型起重機械野外或露天的工作環境。行星減速機的回轉結合面采用浮封環密封時，浮封環與兩相對回轉零件采用Ｏ形圈分別壓嵌在兩相對運動零件的座腔內，形成靜密封；浮封環的回轉結合面采用1對耐磨合金鑄件并經研磨形成非常細密的刃帶，實現回轉結合面動密封。

(5)內藏式結構

如圖1和圖3所示，行星減速器可以安裝在起重機械卷揚和變幅機構卷筒的內部，也可安裝在起重機行走履帶鏈輪或機器的最終傳動內，從而減小了卷揚機構和行走機構的安裝空間，改善了起重機的通過性，并使其易于安裝。

(6)雙行星減速器驅動

因對大型的起重機的卷揚和變幅機構的扭矩要求較大，必要時可采用雙行星減速機驅動，即在同一卷筒的兩端各安裝1臺相同的行星減速器，2臺減速器共同驅動卷筒進行工作，如圖4所示。這種結構的特點是增大了機構的扭矩，而卷筒直徑沒有增大。行走機構也可由雙驅動改為4個行星減速器驅動，這樣可降低總成成本。

(7)零部件改進

早期的行星架一般采用雙壁整體式鑄造或焊接結構和雙壁裝配式結構(如圖1中的行星架)，其結構復雜、尺寸龐大。現在多采用1種單壁式行星架(見圖2中的行星架)，其采用整體鍛造成型，較雙壁行星架能減輕質量1／3以上，而且便于裝配。

采用齒輪軸輸出，簡化了行星架加工，去掉了壓板、螺栓等零件，而且解除了裝配齒輪對軸徑和齒數的限制，提高了輸出齒輪的強度。

3 工藝方法

(1)硬齒面齒輪熱處理

硬齒面齒輪的外齒輪若采用優質滲碳鋼20CrMnTi、20CrMnMo和17Cr2Ni4材料，鍛造后或粗加工后進行正火處理時，要求其正火溫度超過滲碳溫度，起到細化組織、減少滲碳變形的作用。機械加工后若采用計算機控制的多用爐進行滲碳淬火和回火處理，表面硬度可達到58～62HRC，心部硬度可達到30～45HRC，齒部接觸強度和彎曲強度都能達到比較理想的狀態。

內齒輪若采用高級合金結構鋼42CrMo材料，鍛造后再進行調質處理時，使用多用爐可保證其調質硬度均勻，氮化時不變形，心部硬度可達270～310HB。機加工制齒后若采用等離子氮化爐進行氮化處理，氮化深度可達0.5mm左右，表面硬度可達550～700HV，齒部接觸強度和彎曲強度也都能達到比較理想的狀態。

(2)硬齒面齒輪加工

硬齒面齒輪加工時，應先采用滾齒機或插齒機對齒輪坯制齒，進行滲碳淬火后，再采用數控蝸桿砂輪磨齒機磨齒。

對加工批量大、精度高、齒數多的行星齒輪，可采用成組磨齒，這樣可保證每組行星齒輪的齒部完全一致；對于齒數少、模數大的太陽輪及軸齒輪加工時，其內齒輪一般采用數控或高速插齒機插齒成形，表面氮化處理后不再磨齒，當需要磨齒時可用成形砂輪磨齒機進行磨齒。

據資料介紹，行星齒輪減速機在齒輪精度為4～8級范圍內時，精度等級每提高一級可使承載能力提高10％左右(或使體積、質量減少8％～10％)，工作噪聲降低2～3dB。

對超大型起重機械齒輪硬齒面加工時，若外齒輪模數m大于10、直徑大于500mm時，應采用大型滾齒機滾齒。滾齒后需要先修整齒根圓弧，滲碳淬火后，再采用數控立式成形砂輪磨齒機磨齒。對內齒輪仍以插齒為主，也可進行銑齒，氮化處理后再進行磨齒。

(3)齒輪的修形

為了提高減速器的齒輪傳動效率，減輕振動，降低噪聲，需要對齒輪的齒形及齒向進行修形處理。

齒輪修形一般采用剃齒或磨齒方法，我國主要采用磨齒的方法。采用磨齒方法對經過滲碳淬火的行星齒輪進行修形，能消除熱處理變形。數控蝸桿砂輪磨齒機具備齒向鼓形齒修形功能，通過特殊金剛石砂輪修整滾輪，可以進行齒形修形。使用數控成形砂輪磨齒機能進行齒形及齒向修形。

(4)軸承的選配與預緊

行星傳動減速機的所有部件都選用滾動軸承支撐。行星齒輪的內孔裝有滿排滾子的圓柱滾子軸承，用以提高軸承的承載能力。對于連接支架和齒圈的2個圓錐滾子軸承，要求必須選用加強型圓錐滾子軸承，且必須成對裝配。

由于軸承存在一定的彈性變形，裝配后不能完全消除變形，當減速器工作時由于載荷徑向力的作用會使圓錐滾子軸承產生徑向間隙，導致軸承滾子與內外圈圓錐面發生不正常接觸，從而造成軸承或齒輪損壞。此時可給2個圓錐滾子軸承1個預緊力，保證軸承受力時能正常運轉。

(5)行星減速器的試驗

在出廠前要對行星減速器逐臺進行試驗，檢驗項目包括噪聲測試、制動力矩測試和密封性試驗等。對采用計算機控制的專用行星減速機，應在載荷試驗臺進行載荷、扭矩、轉速、效率和溫度等實試驗。

行星齒輪減速器具有體積小、質量輕、效率高和承載能力大等特點，非常適應起重機械減速器輕量化要求，起重機械采用行星減速器可比傳統減速器的質量降低15％～20％。