一種電動葫蘆用減速機的結構優化設計

摘要：減速機是電動葫蘆的關鍵傳動部件，也是電動葫蘆成本占比最大的部件，電動葫蘆的質量直接決定著起吊設備的可靠性，而作為關鍵傳動部件的減速機的質量直接決定著電動葫蘆的可靠性。在市場競爭日趨激烈的今天，企業追求的目標是既能保證減速機的可靠性，又能降低其生產成本，以此來提高市場競爭力。鑒于此，通過選擇不同結構的軸承以及對減速機內部傳動結構的合理布局來提高減速機承載能力，同時降低生產成本。

關鍵詞：減速機;可靠性;軸承;生產成本;傳動結構

中圖分類號：TH211+.3" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）24-0048-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.012

0" " 引言

電動葫蘆作為起吊設備的關鍵零部件，目前競爭相當激烈，企業要想在激烈的市場競爭中占據一席之地，除了常規的降本增效手段外，優化相關設備的設計思路和設計理念也是一種有效的措施。

而減速機是電動葫蘆中成本最高的部件，在經過公司多次摸索試驗驗證后，通過更換軸承結構及有關安裝方式，降低了軸承的采購成本，通過對有關承載部件進行結構重新計算調整，適配批量加工工藝，降低了整個減速機的生產成本，這樣的減速機在保證了承載力的同時還有效降低了生產成本，進而售價低于市面同類型產品，因而具有很好的市場競爭力。

1" " 電動葫蘆概況

1.1" " 電動葫蘆發展現狀

電動葫蘆在機械行業的應用非常普遍，它遍布手工業、農業和工業等各個行業，主要用于完成各種部件的堆放、轉運等工作[1]。電動葫蘆是一種特種起重設備，分為鋼絲繩和環鏈兩種[2]，鋼絲繩類電動葫蘆社會需求量比較大，因此適合批量生產制造，因生產門檻不高，所以生產制造廠家也比較多，競爭比較激烈，因此降本增效對于每個生產廠家來說都很重要，否則就會被市場淘汰。在這一背景下，安全系數比較高、重量比較重的俄羅斯系列電動葫蘆已經逐步退出市場，被既輕便又有價格優勢的國產電動葫蘆所替代。

1.2" " 減速機現狀

目前，國產的鋼絲繩類減速機已經經過多次優化設計，但還是沒有從設計和工藝源頭上徹底做到成本最低的同時還能保證其安全使用性能，如果要想從源頭上進行徹底優化，需要經過多次計算及相關試驗驗證，才能取得相應的理想效果。

2" " 減速機的結構設計優化

2.1" " 減速機使用方法

以我公司6 t減速機為例進行減速機的結構優化設計。優化后的減速機安裝在電動葫蘆上的位置如圖1所示，電動葫蘆主要由電機1、減速機2、定位套3、連接套4、卷筒5、機架6以及軸承7等多個部件組成。減速機安裝在電動葫蘆卷筒內的一端，并由電機作為輸入動力驅動減速機轉動，卷筒右端安裝有一軸承以支撐卷筒另一端，通過控制減速機的正反轉來提升和下放重物。

2.2" " 減速機主要技術參數

最大提升重物6 t，最大輸出扭矩8 400 N·m，最大輸出轉速20 r/min。

2.3" " 減速機優化原理

減速機優化從兩個方面開展，一是降低加工成本，二是減小整體重量和體積。

結合圖1和公式T=Fa（F為距離圓心為a時的切向力，a為力F到圓心的距離，T為力F作用到圓心時所產生的力矩）[3]可知，提升同樣重的重物，在卷筒直徑越小的時候，減速機所輸出的扭矩越小，進而減速機體積越小，制造成本越低。因此，需要從減速機的直徑和長度以及減速機與卷筒的連接方式上下功夫，使得卷筒直徑最小。

2.4" " 減速機結構

圖2所示是減速機結構優化后的裝配圖，其主要由電機盤1、連接套2、銷軸3、殼體4、密封軸5、螺釘6、油封7、定位套8、軸承柱9、軸承10、連接套11、孔卡12、內擋圈13、行星輪14、三級軸承15、軸擋16、軸卡17、太陽輪18、齒圈19、一級太陽輪20以及一級傳動總成Ⅰ、二級傳動總成Ⅱ、三級傳動總成Ⅲ等主要部件組成。

2.5" " 減速機結構優化

優化后的減速機主要特點是其在軸向和徑向尺寸上都做到了最小，進而使得減速機體積最小、重量最輕。

在徑向上主要采取了以下措施：為了使得減速機的承載能力最大，三級傳動總成Ⅲ采用了盡可能多的（5組）行星齒輪圍繞中間太陽輪轉動的方案，這樣使得減速機能承受更大的載荷;而為了實現更大的傳動比，一級傳動總成Ⅰ和二級傳動總成Ⅱ分別采用了3組行星輪圍繞中間轉動的設計方案。之所以這樣設計，是因為通過計算可知，減速機70%的承載力是由三級傳動總成Ⅲ傳遞到減速機的齒圈19上的，同時同一級傳動總成中行星輪數量越多，傳動比可調整范圍越小。

為盡可能在行星輪上安裝承載力較大的軸承，一、二級軸承采用無外圈的圓柱滾子軸承，三級采用無外圈和無內圈的圓柱滾子方案。同時，為了使軸承內圈的壽命更長，并降低生產成本，三級軸承15所在軸承柱9沒有采用和殼體4一體，然后再將軸承柱9表面高頻以提高其硬度的方案，而是采用了單獨的軸承柱9和殼體4熱裝在一起并通過螺釘6緊固的方案，原因如下：一是如果采用軸承柱9和殼體4為一體的方案，殼體4就必須采用合金鋼，以便后面軸承柱9表面高頻后提高硬度，而殼體4僅僅起到承載力的作用，沒有必要采用合金鋼這樣成本較高的材料，同時軸承柱9高頻后的表面硬度及硬度穩定性不如滲碳鋼滲碳后的效果好，最后軸承柱9只能通過銑床加工，加工效率低;二是軸承柱9和殼體4采用分體加工，可使得殼體4采用球鐵鑄造的方案，成本低廉，軸承柱9采用車削方案，加工效率高，適合批量生產;同時三級軸承15因為只需要采購軸承滾子，因此成本比普通軸承更加低廉。

為使安裝減速機的卷筒直徑最小，減速機和卷筒之間的連接不再使用止口、法蘭和螺栓連接的方式，而是將連接套11焊接到卷筒內壁上，然后通過花鍵與減速機齒圈19連接，同時靠定位套8與卷筒進行徑向定位，由于連接套11徑向尺寸差很小，很好地節省了徑向尺寸空間，使得卷筒直徑變得最小，從而同樣大小的減速機可以提升更重的物體。

在軸向上主要采取了以下措施：為了使減速機盡可能縮短軸向尺寸，行星輪上的軸承均安裝在懸臂的軸承柱上;同時，為了減少減速機上主軸承和密封占用的軸向空間尺寸，該主軸承采用了深溝球軸承這一類型，同時密封方式上也拋棄了傳統意義上的浮動油封結構，而是采用占用軸向尺寸更小的骨架油封結構，且油封左側不需要軸向定位。

為解決減速機連接套2和密封軸5的軸向距離問題，將二者采用分體結構設計，而不是一體結構設計，由圖2可知，如果將連接套2和密封軸5做成一體的設計，由于連接套2所在軸直徑比密封軸5直徑小很多，因此要保證連接套2的外花鍵有效長度以及密封軸5密封處不能被加工上外花鍵，則需要將連接套2加長，以便預留出滾刀加工外花鍵的長度，從而間接增加減速機的長度。為此，連接套2和密封軸5采用分體加工方式，然后過盈配合裝配在一起，為防止二者之間發生相對滑動，需用銷軸3將二者貫穿連接在一起。

3" " 減速機關鍵部件壽命計算

3.1" " 減速機主軸承壽命計算

該減速機主軸承采用的是一盤深溝球軸承，由于其提升重物為6 t，減速機在卷筒一側受力，因此減速機平均受到的徑向力為3 t，而通過減速機整體布局初步計算得知，該軸承型號為61834，動載荷為61.5 kN，輸出轉速20 r/min。軸承壽命Lh計算公式如下：

式中：α1為可靠度為90%時的額定壽命修正系數（GB/T 6391—1995）;n為軸承的輸出轉速;C為軸承基本額定動載荷;P為軸承當量動載荷;ε為指數，對于球軸承，ε=3[4]。

將α1=1，n=20 r/min，C=61 500 N，P=30 000 N，ε=3代入上式可以求出軸承壽命Lh=7 180 h，大于5 000 h，符合設計需求。

3.2" " 連接套11和齒圈19花鍵強度計算

該減速機的輸出扭矩為8 400 N·m，焊接到卷筒上的連接套11采用35鋼，減速機輸出端的齒圈19采用40Cr，采用漸開線花鍵連接，其擠壓應力σjY由下式計算：

式中：T為轉矩;ψ為各齒間載荷不均勻系數，通常取0.7～0.8;z為齒數;hg為齒的工作高度;lg為齒的工作長度;Dm為平均直徑。

對于漸開線花鍵Dm=d=zm（d為漸開線花鍵分度圓直徑，z和m分別為漸開線花鍵齒數和模數），hg=m[5]。將T=8 400 N·m，ψ=0.75，z=95，hg=2.5 mm，lg=50 mm，Dm=d=zm=95×2.5=237.5 mm代入上式可以求出σjY=7.9 MPa，小于許用擠壓應力[σ]jY=35 MPa。因此，該處的漸開線花鍵強度滿足設計要求。

4" " 減速機關鍵結構對比

如圖2所示，對于沒有進行結構優化和進行了結構優化的減速機，其主要區別點在于：未優化的軸承10采用的是一對圓錐滾子軸承，同時軸承右端采用鎖緊圓螺母鎖緊圓錐滾子軸承，這樣不但增加了徑向尺寸，還大大增加了軸向尺寸（試驗驗證表明，該減速機在正常工作時基本沒有軸向載荷，因此采用深溝球軸承就可以），三級軸承15一般采用帶內外圈的軸承或不帶外圈帶內圈的軸承，這樣會導致行星輪14的內孔尺寸比較大，齒數受到限制，同時所用軸承承載力受限。減速機和卷筒采用止口和法蘭的連接方式，法蘭和卷筒通過螺栓連接在一起，增加了卷筒的直徑。密封處的油封7采用浮動油封結構，連接套2和密封軸5采用了一體式結構，增加了減速機的軸向尺寸。通過對比二者之間的結構可以發現，結構優化后的減速機明顯更加緊湊。

5" " 結束語

本文以6 t減速機的結構優化設計為例，對現有的減速機從軸承、油封等結構設計以及殼體、軸承柱等的材料、加工工藝等方面進行設計優化，使得設計優化后的減速機適合批量生產，有效降低了生產成本，從而令產品在激烈的市場競爭中具有明顯的競爭優勢。

[參考文獻]

[1] 李慧娟.電動葫蘆發展現狀分析與研究[J].時代農機，2017，44（6）：93.

[2] 王晨.電動葫蘆新型卷筒裝置結構設計[J].科技創新導報，2017，14（1）：88.

[3] 孫訓方，方孝淑，關來泰.材料力學（1）[M].6版.北京：高等教育出版社，2019.

[4] 濮良貴，紀名剛.機械設計[M].4版.北京：高等教育出版社，2001.

[5] 徐灝.機械設計手冊3[M].北京：機械工業出版社，1991.