雙聯(lián)行星傳動齒輪箱的改裝

摘要：本文針對雙聯(lián)行星齒輪箱傳動機(jī)構(gòu)存在的問題，進(jìn)行了相關(guān)研究。通過起貨放貨的受力分析，進(jìn)行了相關(guān)計算,調(diào)整雙聯(lián)行星齒輪的相對位置，進(jìn)行傳動機(jī)構(gòu)的重新組裝。經(jīng)過有關(guān)參數(shù)的校核和實際應(yīng)用，證明改裝后齒輪運轉(zhuǎn)平穩(wěn)順暢，滿足要求。

關(guān)鍵詞：雙聯(lián)行星輪系；齒輪設(shè)計；參數(shù)校核；熱處理

中圖分類號：U661.22文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Modification research and application of double planetary gear box

HONG Xiong

( CCCC Guangzhou Dredging Co .,Ltd.Guangzhou 510221 )

Abstract: In this paper, aiming at the existing problem of dual planet gear transmission mechanism, has carried on the related research. Stress analysis of the Crane put goods, has carried on the related calculation. By adjusting the relative location of double planetary gear,then assemble transmission mechanism. After checking the related parameters, that the design of gear machining fully meet the classification requirements.

Key words: Double planetary gear train;Gear design;Check the parameter calibration;Heat treatment

1前言

雙聯(lián)行星齒輪箱具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、效率高、傳動平穩(wěn)、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點，所以在船舶甲板機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用。

某工程船的起貨機(jī)采用雙聯(lián)行星齒輪箱作傳動減速機(jī)構(gòu)，在使用中船方發(fā)現(xiàn)某臺起貨機(jī)存在較嚴(yán)重的振動和噪音，決定對該設(shè)備進(jìn)行檢修。

齒輪箱分解后，發(fā)現(xiàn)嚙合齒面拉毛、齒側(cè)間隙偏大，為解決這些問題，我們進(jìn)行了課題攻關(guān)，順利解決了諸多難題。

2齒輪箱的結(jié)構(gòu)特點和傳動原理

2.1結(jié)構(gòu)特點

該工程船的起貨機(jī)，由電動機(jī)和繩筒組成，外形尺寸約φ800mm×2000mm。繩筒直徑φ540mm，長410mm,繩筒內(nèi)是雙聯(lián)行星傳動減速齒輪箱，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2傳動原理

電動機(jī)工作時，傳動順序依次是：花鍵-齒輪軸轉(zhuǎn)→雙聯(lián)行星齒輪反向自轉(zhuǎn)→內(nèi)齒圈-花鍵軸固定不動→雙聯(lián)行星齒輪架同向公轉(zhuǎn)→繩筒內(nèi)齒圈及繩筒反轉(zhuǎn)→吊桿貨物升降。

電動機(jī)轉(zhuǎn)向決定繩筒轉(zhuǎn)向，兩種不同旋轉(zhuǎn)方向，對應(yīng)貨物的起升或落降，升降快慢由電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制。無論起升或落降，最終都是通過繩筒內(nèi)齒圈的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)。

1花鍵-齒輪軸 2雙聯(lián)行星左聯(lián)齒輪 2＇雙聯(lián)行星右聯(lián)齒輪 3繩筒內(nèi)齒圈4內(nèi)齒圈-花鍵軸 5行星輪架 6繩筒

圖1 齒輪箱的結(jié)構(gòu)圖

3齒輪箱存在的問題和改進(jìn)設(shè)計

3.1傳動構(gòu)件參數(shù)

行星傳動齒輪箱各齒輪的模數(shù)都是6，根據(jù)傳動比要求，原齒輪箱各齒輪齒數(shù)如表1所示。雙聯(lián)行星傳動齒輪箱，根據(jù)結(jié)構(gòu)布置和傳動原理，所有嚙合齒輪中心距都必須相同。由表1所列齒數(shù)，可得嚙合齒輪的中心距均為111 mm，三個行星輪中心都在φ222 mm的圓周上。花鍵-齒輪軸到繩筒的傳動比為4.285，雙聯(lián)行星右聯(lián)齒輪與花鍵軸內(nèi)齒圈的嚙合僅起運動傳遞作用，在整個傳動過程中使雙聯(lián)行星齒輪公轉(zhuǎn)。

表1各齒輪原參數(shù)

3.2存在的問題及原因分析

3.2.1存在的問題

齒輪箱分解后，重新裝配，發(fā)現(xiàn)花鍵軸內(nèi)齒圈很難裝進(jìn)三個行星輪的右聯(lián)齒輪上。用外力強(qiáng)行裝入后，傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)不動。用電動機(jī)驅(qū)動，齒輪箱有異常響聲且振動嚴(yán)重，重新打開后發(fā)現(xiàn)齒面有拉毛損傷跡象。

3.2.2原因分析

行星齒輪箱特別是雙聯(lián)行星齒輪箱有制造裝配困難的特點，其原因有兩個方面：一方面，從花鍵齒輪軸到繩筒內(nèi)齒圈，需保證雙聯(lián)行星左聯(lián)齒輪能均布于兩者之間，這就要求花鍵齒輪與繩筒內(nèi)齒圈的齒數(shù)之和是行星輪個數(shù)的整數(shù)倍；另一方面，雙聯(lián)行星輪的兩個齒輪加工在同一根棒料上，齒輪位置不能調(diào)整，裝配行星輪架時需要找出三個行星齒輪正確的裝配位置，否則三個行星齒輪能裝進(jìn)繩筒內(nèi)齒圈，但花鍵軸內(nèi)齒圈卻裝不進(jìn)三個行星輪。

如果用外力強(qiáng)行裝配，則會在雙聯(lián)行星輪上產(chǎn)生附加外力，使內(nèi)齒圈卡住某個行星齒輪，在附加外力作用下運轉(zhuǎn)，齒輪箱就產(chǎn)生異常響聲、嚴(yán)重振動和磨損齒面。

3.3齒輪箱的改進(jìn)設(shè)計

根據(jù)表1所示齒輪參數(shù)，發(fā)現(xiàn)花鍵齒輪軸與繩筒內(nèi)齒圈的齒數(shù)和不是行星輪個數(shù)的整數(shù)倍，花鍵軸內(nèi)齒圈齒數(shù)也不是行星輪個數(shù)的整數(shù)倍，這樣就可能導(dǎo)致裝配困難。為滿足裝配條件要求，經(jīng)過試算，保留齒輪模數(shù)不變，將各齒輪參數(shù)調(diào)整如表2所示。調(diào)整后，嚙合齒輪中心距為117 mm,三個行星輪軸線在φ234 mm的圓周上。

表2調(diào)整后的各齒輪參數(shù)

4改進(jìn)后的校核

4.1裝配條件校核

4.1.1齒數(shù)校核

參數(shù)調(diào)整后，各齒輪齒數(shù)均為行星輪個數(shù)的整數(shù)倍；花鍵齒輪軸與繩筒內(nèi)齒圈的齒數(shù)和是行星輪個數(shù)的整數(shù)倍；花鍵軸內(nèi)齒圈齒數(shù)是行星輪個數(shù)的整數(shù)倍。這樣，齒數(shù)滿足裝配條件，能保證三個行星輪裝進(jìn)內(nèi)齒圈。

4.1.2鄰接條件校核

三個行星齒輪，必須保證兩兩互不相碰，并至少留有至少0.5 mm以上的齒頂間隙。三個雙聯(lián)行星齒輪中心均布在φ234 mm的圓周上，兩兩行星齒輪中心距為202.649 mm。行星左聯(lián)齒輪頂圓直徑為φ102mm, 行星右聯(lián)齒輪頂圓直徑為φ192 mm,兩齒輪中心距均大于齒頂圓直徑。所以，改進(jìn)設(shè)計后齒輪參數(shù)滿足兩兩互不干涉條件。

4.1.3三個行星齒輪位置校核

因為雙聯(lián)齒輪加工在同一根棒料上，齒輪位置不能調(diào)整，所以裝配行星輪架時需要找出三個行星齒輪正確的裝配位置，否則花鍵軸內(nèi)齒圈就裝不進(jìn)行星輪。正確的裝配位置是雙聯(lián)行星輪的兩個齒輪各有一個齒槽的對稱線必須在同一軸平面上，并且朝外。行星齒輪左聯(lián)齒數(shù)是24，右聯(lián)齒數(shù)是30，則每隔120o 就各有一個齒槽在同一軸平面上，能滿足調(diào)整需要。正確的裝配位置如圖2所示。

圖2雙聯(lián)行星輪裝配位置示意圖

4.2起降速度校核

該工程船配備的行星齒輪起貨機(jī)，繩筒直徑φ540mm，長410mm,按中華人民共和國《船用起貨機(jī)絞車》標(biāo)準(zhǔn)GB7389-87的規(guī)定，該型起貨機(jī)掛重3.15 t，最小額定起升速度分不小于19.2 m/min和不小于37.8 m/min兩檔,負(fù)載最大落地速度不大于12 m/min。

起貨機(jī)起降速度由電動機(jī)轉(zhuǎn)速決定，電動機(jī)轉(zhuǎn)速由定子極對數(shù)決定。雙聯(lián)行星齒輪箱的傳動比是4.2，該起貨機(jī)經(jīng)齒輪箱減速后繩筒轉(zhuǎn)速如表3所示。

表3繩筒轉(zhuǎn)速

繩筒直徑φ540 mm,每轉(zhuǎn)一圈貨物起降1.69 m。當(dāng)繩筒轉(zhuǎn)速為23.81 r/min，起升速度為40.35 m/min；當(dāng)繩筒轉(zhuǎn)速為11.90 r/min，起升速度為20.17 m/min；當(dāng)繩筒轉(zhuǎn)速為5.95 r/min，落降速度為10.08 m/min。因此，繩筒起貨放貨速度均滿足國標(biāo)規(guī)定。

4.3強(qiáng)度校核

4.3.1 受力分析

起貨機(jī)起貨分快起和慢起兩檔，為安全起見，放貨速度較起貨速度慢。單位時間內(nèi)，快速起貨所需功率最大，因此功率計算、力矩校核均按消耗功率最大的快起工況進(jìn)行。

雙聯(lián)行星齒輪箱傳動機(jī)構(gòu)起減速增矩作用，齒輪箱在工作時，傳遞功率不變，嚙合齒輪轉(zhuǎn)速快，傳遞扭矩就小，反之傳遞扭矩就大。

快檔起貨速度為40.35 m/min，φ540 mm直徑的繩筒受到3.15 t的拉力作用，此時繩筒傳遞的功率為21.19kW，繩筒圓周處的扭矩為8 505 N·m。雙聯(lián)行星輪系傳動構(gòu)件中，各齒輪所受力矩如表4所示。

表4 調(diào)整后的各齒輪受力計算

4.3.2強(qiáng)度校核

雙聯(lián)行星齒輪箱是閉式傳動，輪齒失效的主要形式是齒面接觸疲勞點蝕和輪齒彎曲疲勞折斷。從表2可知，花鍵軸齒輪在傳動過程中嚙合次數(shù)最多，單個輪齒受力最大，交變頻率最高，因此只校核花鍵軸齒輪接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。

4.3.2.1輪齒接觸疲勞強(qiáng)度校核

根據(jù)計算，接觸應(yīng)力為：

δH =216.4N／mm2

許用接觸應(yīng)力為：

[δH ] =1 166.6N／mm2

由此可知，δH ＜ [δH ]，齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足需要。

4.3.2.2輪齒彎曲強(qiáng)度校核[3]

根據(jù)計算，彎曲應(yīng)力為：

δF =1.85N／mm 2

許用輪齒彎曲應(yīng)力為：

[δF]=231.25N／mm2

由此可知，δF ＜ [δF]，輪齒彎曲強(qiáng)度滿足需要。

4.4材料選擇及熱處理

齒輪材料可選用42CrMo或20CrMnTi，在加工制作時，要嚴(yán)格進(jìn)行熱處理，以保證工件具有良好的機(jī)械性能和表面硬度。工程船需要長時間在海上作業(yè)，對起貨機(jī)的可靠性要求較高，輪齒形狀又比較復(fù)雜，要求齒面有較高的耐磨性。低碳合金鋼滲碳，滲碳層沿齒廓分布均勻，經(jīng)淬火后，淬硬層分布也比較均勻，能提高滲碳齒輪的性能，可延長齒輪的使用壽命。齒輪加工必須保證精度，以滿足嚙合間隙和齒面接觸要求，傳動外齒輪6級，內(nèi)齒圈7級。

實際加工齒輪時，選用20CrMnTi，表面滲碳。齒面硬度ＨＲＣ５８－６２，滲碳層含碳量１％，心部硬度ＨＲＣ３０－４０，滲碳層厚度根據(jù)模數(shù)取１.５mm。

5拆裝需要注意的問題

（1）齒輪箱拆裝，一定要做標(biāo)記，以免傳動構(gòu)件裝錯位置；

（2）行星輪架與花鍵軸內(nèi)齒圈端面必須隔開，可通過內(nèi)齒圈-花鍵軸端蓋的兩個螺栓來調(diào)整；

（3）裝行星輪架時，一定將三個雙聯(lián)行星齒輪調(diào)至裝配位置，保證花鍵軸內(nèi)齒圈在任何位置都能順利拆裝，且裝后傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動靈活；

（4）齒輪箱內(nèi)潤滑油加裝要適量；

（5）起貨機(jī)組裝后，在自由狀態(tài)，以一人之力應(yīng)能轉(zhuǎn)動繩輪滾筒；

（6）起貨機(jī)空車運轉(zhuǎn)時，應(yīng)無異常響聲和轉(zhuǎn)動，否則應(yīng)檢查消除。

6結(jié)論

起貨機(jī)改裝修理后，空車運轉(zhuǎn)無明顯噪音和振動；掛重試驗，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)順暢。修理效果非常明顯，完全滿足起貨放貨需要。經(jīng)過改裝修理，為船舶正常安全作業(yè)提供了堅實的基礎(chǔ)，獲得了高度好評。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn). 船用起貨機(jī)絞車[G], GB7389-87.

[2] 徐灝等. 機(jī)械設(shè)計手冊(第3卷)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1992.

[3] 楊可禎等. 機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1979.

[4] 孟憲法等. 船舶輔助機(jī)械[M]. 北京: 人民交通出版社, 1985.

[5] 史美堂 . 金屬材料及熱處理[M]. 上海: 上海科學(xué)技術(shù)出版社, 1983.

作者簡介：洪雄（1963-）男 , 工程師。主要從事船機(jī)管理工作。

收稿日期：2014-01-16