起重機齒輪傳動裝置輕量化技術分析

劉小暉 衛孝聰

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

當前，我國社會經濟快速發展，基礎工業與基礎設施獲得長足發展，對起重機的需求不斷加大。但是，就我國起重機制造現狀來看，技術水平還比較低，導致實際應用出現不少問題。人們需要對起重機機械結構進行優化設計，而齒輪傳動裝置作為重要構件，對其進行輕量化設計，不僅可以減小整個起重機的體積和自重，同時還能夠提高其運行總功率。

1 起重機齒輪傳動裝置輕量化設計

在市場持續改革的背景下，我國進出口貿易發展迅速，而起重機的裝卸性能及其作業效率，使其成為港口重要機械設備。為滿足實際應用發展，近年來，起重機逐漸向大型高速化、自重輕型化以及自動智能化等方向發展，不斷調整結構，降低起重機自重，搭配計算機技術，運用驅動機構與控制系統，實現起重機的自動化控制，使得作業效率進一步提高。

經過不斷調整優化，起重機傳動裝置結構更為緊湊，對降低整機自重具有明顯效果，再加上各種新型材料的應用，以及對設備受力條件的改善，使得起重機自身承載能力更高，對環境的適應性更高。起重機大型化設計還需要兼顧能耗問題，它是影響工作效率與運行成本的重要因素。對起重機齒輪傳動裝置進行輕量化設計，可以從節能降耗角度出發，經過結構優化設計，達到降低開采成本與運行成本的目的，使其具有更高的市場競爭力[1]。齒輪傳動裝置作為起重機減重的關鍵配套件，人們需要提高對其的重視程度，從結構設計、輕量化材料以及輕量化制造技術等方面出發分析，達到設備重量、性能、成本的綜合優化。

2 起重機齒輪傳動裝置輕量化方向

2.1 無齒輪傳動設計

無齒輪傳動技術作為早期研究對象，減少了減速機重量，使得起重機傳動裝置得到較大優化，整體體積與重量減小，并且利用變頻器與PLC等現代化智能化控制系統，在實際應用中達到電機低轉速、大轉矩的要求。雖然它對傳統機械形式進行一定優化，但是基于起重機機械結構特殊性和電機特點，齒輪起重機得到較大程度的應用。如果可以實現起動機的無齒輪傳動設計，人們不僅可以有效解決起重機運行噪聲大、斷軸、斷齒以及效率低等問題，還可以充分發揮安全保護、智能控制以及節能降耗優勢。確定電動機為齒輪傳動裝置的動力源，通過減速機一級齒輪的傳動，實現高速與低速、小矩到大矩的轉變，使得卷筒能夠持續運行，形成一個全新驅動裝置，即卷筒形式的外形，搭配智能控制系統，在磁場與電流作用下，生成大轉矩、低轉速效果，將卷筒負載轉動的功能充分發揮出來，提高起重機運行綜合效果。

2.2 諧波齒輪傳動技術

諧波齒輪傳動技術的應用，主要就是通過諧波發生器的作用，促使柔性件內產生彈性變形，同時與剛性件相互作用，將動力與傳遞運動功能充分發揮出來。波動發生器在傳動中回轉一圈，波數可以通過柔性件上某點循環變形次數進行解釋。對諧波傳動工作原理進行分析，即一個內周有齒輪的鋼輪與一個外周存在多齒輪的柔輪相互嚙合完成傳動動作，通過鋼輪、波發生器以及柔輪之間的相對運動，以及柔輪可控彈性變形來達到動力傳遞效果。在設計時需要對三個基本構件中的一個進行固定，包括從動件與主動件，假如未有效固定，則會出現差動輪系。如果鋼輪固定不變，波發生器作為主動件，從動件作為柔輪，波發生器內橢圓性凸輪在柔輪內部旋轉，便只會在柔輪內發生變形。當鋼輪齒輪與柔輪齒輪進入嚙合狀態后，將會從短軸兩端的鋼輪輪齒和柔輪輪齒中脫開。

2.3 少齒連環差齒輪傳動技術

作為一種新型齒輪傳動設備，環式減速器在機械設備制造中已經實現了有效應用。對其運行原理進行分析，可確定行星輪未進行擺線運動，其將雙曲柄齒輪機構作為核心，然后帶動圓周平運行，相比以往所應用的主要齒輪傳動形式，此種形式在機械設備中的應用體積更小、自重輕、結構簡單并且傳動比更大，因此技術優勢更為明顯。在傳動運動過程中，它存在多齒接觸的情況，具有良好的承載與過載能力，在近年持續發展中，逐漸具備減速機的承載能力，可滿足石油、建筑、冶金、交通、機械等領域應用要求。就實際應用效果來看，連環少齒減速裝置，可實現大轉矩、大速比要求，并且具備多齒一同嚙合的作用，減速機承載能力更強。

3 起重機齒輪傳動裝置輕量化設計要點

3.1 中硬齒面、軟齒面齒輪傳動

我國起重機備用減速機主要應用的為ZQ系列軟齒面減速機、QJ與ZQA系列中硬齒面減速機以及ZQ系列軟齒面減速機。在不斷發展過程中，老舊技術已經逐漸不能滿足實際應用要求，對場地、廠房的承載能力以及運行空間有著更高要求，必須基于實際需求，對起重機機械設計和制造技術進行更新，以免造成材料浪費?，F階段，起重機減速機所應用的漸開線圓柱齒輪，逐漸由軟齒面與中硬齒面向硬齒面發展。對比國外相關研究，SEW系列減速電機、FLENDER系列減速機產品外觀更為輕巧緊湊，具有良好的免維護特性，優化了起重機整體結構，對比以往起重機設備，其無論是在高度、重量還是輪壓上均有明顯改善[2]。對起重機齒輪傳動裝置進行輕量化設計，對降低生產制造成本，減少起重機實際作業成本具有重要意義，已經成為技術研究的要點。

3.2 模塊化漸開線嚙合硬齒面齒輪傳動

早期所提出的模塊化構造，對優化起重機減速機技術具有重要指導作用，尤其是德國FLENDER公司、比利時Hansen公司已經形成標準化模塊生產體系，在國際上均具有較大影響力。以FLENDER公司設計的減速機為例，其具有5種輸入軸齒輪中心距，與5種傳動比相對應；同時存在3種輸出軸齒輪中心距，與16中傳動比相對應；另外還具備4種錐齒輪錐距，與16種傳動比進行對應，整體形成8個系列、具有多種功率與傳動比的齒輪減速器。通過對減速機的模塊化設計，構成模塊組合體系，使得設備能夠更好地適應普通以及特殊工況需求，均可在模塊組合體系內找到理想方案，可通過最少零件來組合形成最多機型模塊化體系，達到集中生產、分散組裝的目的。

目前，我國起重機減速機也逐漸實現模塊化設計，取得了一定成績。例如，YNK減速器提出程序模塊化與功能模塊化兩種設計方法。模塊化減速機所需要的零件數量更少，互換性好，實際應用綜合成本低，將其應用到起重機齒輪傳動裝置輕量化設計上具有更大優勢。減速機模塊化設計后，與起重機電機、卷筒等之間的連接更為簡單，使得連接附件實現模塊化的可能性更大，并且以國外相對成熟的研究技術為例，能夠更大程度上實現標準化配置。起重機設備應用硬齒面減速機，面對相同負載和工作制的情況時，能夠大幅度降低起重機設備體積、自重，實際應用效果更佳。

3.3 點線嚙合齒輪傳動

點線嚙合齒輪傳動為一種全新的圓柱齒輪傳動方式，通過漸開線與過渡曲線來組成齒輪工作表面的端面輪廓線，工作表面共存在凹凸兩種齒面，在嚙合時會形成凹凸齒輪接觸，同時形成線嚙合與點嚙合。對點線嚙合齒輪傳動方式進行分析，可確定其在面對相同條件時，接觸強度和彎曲強度要更優于漸開線齒輪，運行噪聲降低。以國內加工技術與原材料作為基礎時，點線嚙合齒輪減速機無論是機械性能還是制造與使用成本均具有更大優勢。在達到性能基本要求后，人們可以進一步降低點線嚙合齒輪減速機自重與體積，從而提高強度，降低綜合成本。與體積與重量相同的減速機相比，點線嚙合齒輪減速機性能優勢更為明顯，完全可彌補國內加工技術與材料存在的不足。在達到設備運行條件基礎上，點線嚙合齒輪減速機與國外漸開線圓柱齒輪減速機在體積、性能以及重量上存在的差異比較小，所需生產成本更少。

在點線嚙合齒輪副嚙合的過程中，會產生過渡曲線干涉、旋動曲線干涉，為避免其影響實際運行效果，人們需要在設計加工中采取措施來將其消除。對于干涉量，可以在設計時進行準確計算，然后對修形誤差進行控制，只有在保證齒廓精確修形的情況下，才可以提高嚙合齒輪性能。一般可選擇應用修形滾刀來對中硬齒面的點線嚙合齒輪進行修形，并二次開發數據磨齒機控制程序，開發出針對點線嚙合齒輪齒高修形的控制程序，對整個修形加工過程進行科學控制。

3.4 連環少齒差動齒輪傳動

連環減速器為我國所獨創的全新齒輪傳動裝置，人們通過分析其運行原理，可確定行星輪不進行擺線動作，而是通過雙曲柄齒輪機構的引導進行圓周平動。相比以往所用的齒輪傳動形式，其結構設計更為簡單，體積小、重量輕，具有更大傳動比，在實際應用中傳動效率更高。齒輪傳動時會存在多齒接觸，過載能力與承載能力得到進一步優化，因此其不斷被應用到實際作業中，現在可選擇的形式包括三齒環、單齒環、四齒環以及平衡式減速等裝置。

連環少齒差傳動低速級齒輪傳動為行星齒輪傳動，通過1個援助外齒輪與3個內齒輪板組合形成1對內嚙合齒輪副。在實際研究中，人需要重視其在運行中出現的過渡曲線干涉問題，對齒輪參數與尺寸進行設計后，還需要對齒輪斷端面嚙合進行仿真研究，對比選擇合適的算法，對干涉量做精確計算，消除過渡曲線干涉問題，提高實際運行效率。當前，連環減速機技術越來越成熟，人們可以將其應用到起重機齒輪傳動裝置輕量化設計中，這對實現起重機機械優化具有重要推動效果。

4 結語

為進一步提高起重機對各類作業環境的適應性，人們應在其原有基礎上進行機械優化，實現齒輪傳動裝置輕量化設計，在降低綜合成本的同時，維持較高的作業效率，滿足實際生產要求。

[1]黃太池.起重機齒輪傳動裝置輕量化技術[J].化工管理，2017，（20）：195.

[2]安存勝，馬占營，聶福全.起重機齒輪傳動裝置輕量化技術應用現狀及發展趨勢[J].機械傳動，2015，39（10）：146-150.