塔式起重机减速器设计的比较分析

塔式起重机减速器设计的比较分析

陈定钰

（南京工业大学浦江学院，江苏 南京 211112）

摘 要：起重机各组件的传动性能决定了塔式起重机传动性能的好坏。传动总体设计水平，决定了起重机的使用质量和产品的寿命。位于电机与卷筒轴之间的各种减速器的型式对传动机构的传动影响最大。文章主要研究了塔式起重机常用的四种减速器方案，从直齿齿轮、蜗轮蜗杆和行星齿轮的失效形式、设计准则、材料选择三个方面进行比较分析。

关键词：塔式起重机；直齿齿轮；蜗轮蜗杆

塔式起重机传动性能决定于起重机各组件的传动性能，而且很重要一部分与传动系统总体布置有关。常见塔式起升机构的布置方案如图1所示。起升机构要求传动装置的转速高，传递扭矩大，要具有一定的补偿性能，安全可靠，体积小，转动惯量小。

图1 塔式起重机起升机构布置方案

对起升机构传动型式影响较大的部位有：①在电机与减速器高速轴之间：浮动轴、联轴器、制动器；②在电机与卷筒轴之间：各种减速器型式、附加开式齿轮；③减速器低速轴与卷筒轴之间：联轴器等。为了得到较大的转矩，一般起升机构都会采用减速器，减速器含有速度转换器，速度转换器的作用是将回转数减速到所需要的回转数。减速器在降速同时可以提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比同时还降低了负载的惯量。目前常见的减速器有行星齿轮减速器、圆柱齿轮减速器、圆柱圆锥齿轮减速器和蜗轮蜗杆减速器，文章主要针对这四种减速器的设计进行比较分析。

1 圆柱齿轮减速器方案

该方案的示意图如图2所示，其优点为是结构简单，精度容易保证，而且节省空间，承受过载能力高，轮齿可做成直齿、斜齿和人字齿。缺点是沿齿向载荷分布不均匀，齿轮相对于轴承不对称布置。直齿齿轮传动的特点是适用的圆周速度和功率范围广、传动效率高、传动比稳定，直齿齿轮需要很高的制造标准，对安装提出了很高的精度要求，成本不菲，且志适用于近距离传动。

图2 圆柱齿轮减速器方案示意图

1.1 直齿齿轮的失效形式

直齿齿轮的失效形式有齿轮折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合、塑性变形。折断常发生于齿宽较小的直齿轮，可通过增大齿根圆角半径、提高齿面精度、增大模数等措施来改善；齿面点蚀常发生于闭式软齿面（布氏硬度小于350）传动中，而且点蚀的形成与润滑油的存在密切相关，点蚀常发生于偏向齿根的节线附近，可通过提高齿面硬度和齿面质量来改善；齿面胶合可通过采用异种金属、降低齿高、提高齿面硬度等措施来改善；齿面磨损是开式传动的主要失效形式，可通过改善润滑和密封条件来改善。

1.2 直齿齿轮传动的设计准则

开式齿轮传动的失效形式多是齿面磨损，所以在进行设计计算时候，通常按照齿根弯曲疲劳强度进行，由于存在磨损因素，故可将模数增大10%～20%。在闭式齿轮传动的设计中，齿面点蚀是软齿面齿轮主要失效形式，在设计计算是多数是按照齿面接触疲劳强度。由于具有较高的抗点蚀能力，所以硬齿面的轮齿比较容易折断，故在设计计算时候，按照齿根弯曲疲劳强度来计算，按齿面接触疲劳强度校核。对于高速重载齿轮，还应按齿面抗胶合能力的准则进行设计。

1.3 直齿齿轮传动的材料选择

直齿齿轮的要有很高的硬度，来防止各种失效形式的发生，要抵抗齿根折断和冲击载荷，齿芯还应有足够的强度和较好的韧性，并要求有良好的加工工艺性能及热处理性能。当齿轮的载荷比较平稳，或者齿轮承受轻度载荷的冲击，此时可选择正火碳钢，当齿轮承受中度冲击载荷，则可选择调质碳钢，当齿轮承受重载荷并存在冲击载荷的情况下，一般需要选择合金钢。

2 蜗轮蜗杆减速器方案

该方案的示意图如图3所示，其特点是结构紧凑，传动比大，工作平稳，噪声小，但效率较低。蜗轮蜗杆减速器方案具有反向自锁功能，有较大的速比，输入轴和输出轴不在同一直线上，也不在同一平面上。该方案的缺点是体积较大，效率不高（65%～70%），精度不高（8级）。

图3 蜗轮蜗杆减速器方案示意图

该方案采用的是蜗轮蜗杆，蜗轮蜗杆传动的特点是传动比大，一般i =10～80，最大可达1000，重合度大，传动平稳，噪声低；结构紧凑，可实现反行程自锁。蜗轮蜗杆传动的主要缺点齿面的相对滑动速度大，效率低，蜗杆的造价较高。

2.1 蜗轮蜗杆的失效形式

蜗轮蜗杆减速机的蜗杆传动的失效形式主要有：胶合、磨损、疲劳点蚀和轮齿折断等。

在工作时蜗轮蜗杆的啮合面的传动效率不高，两者有较高的滑动速度，且伴随着较大的发热量，故如果不能很好的润滑和散热，那么蜗轮蜗杆的主要失效形式是胶合和磨损。

2.2 蜗轮蜗杆传动的设计准则

在材料的强度和结构方面，蜗杆要优于蜗轮，所以失效多发生在蜗轮轮齿上，设计时只需要对蜗轮进行承载能力计算。目前还无法有效的获得胶合与磨损时的有关数据，所以蜗轮蜗杆是按照齿轮传动中弯曲和接触疲劳强度进行设计计算的。

在对闭式蜗杆传动进行设计计算时按蜗轮轮齿的齿面接触疲劳强度，对齿根弯曲疲劳进行强度校核，并进行热平衡验算；在对开式蜗杆传动设计计算时按齿根弯曲疲劳强度进行计算。

2.3 蜗轮蜗杆传动的材料选择

蜗杆多使用碳钢或者合金钢，以保证足够的强度，并且满足工作环境对蜗轮蜗杆的磨合性能、减磨性、耐磨性以及抗胶合能力等方面的要求。高速重载蜗杆常用15Cr 或20Cr、20CrMnTi等，并经渗碳淬火；也可以40、45 或40Cr并经淬火。40、45钢在经过调质处理后可用于低速中载的蜗杆，硬度为220～300HBS。蜗轮材料为选用铸造锡青铜（ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5），铸造铝铁青铜（ZCuAl1010Fe3）及灰铸铁（HT150、HT200）等。

3 行星齿轮减速器方案

该方案的示意图如图4所示，其特点是有效利用了功率分流和输入、输出的同轴性以及合理地使用了内啮合，并且该方案的传动效率很高，占用的体积相对其他方案来说偏小，重量也轻，可以承载更高的载荷，且具有很好的平稳性。

图4 行星齿轮减速器方案示意图

3.1 行星齿轮的失效形式

当传递功率高、制造精度偏差且润滑条件不好时，行星齿轮减速器失效形式多表现为在齿轮工作表面发生疲劳点蚀或胶合破坏。

3.2 行星齿轮传动的设计准则

在对行星齿轮传动进行设计时，要保证齿轮齿根弯曲疲劳强度和保证齿面的接触疲劳强度，在闭式齿轮传动中，通常以保证齿面接触接触疲劳强度为主。

3.3 行星齿轮传动的材料选择

在加工行星齿轮减速器太阳轮、行星齿轮时，所选用的材料多需要进行热处理，例如20CrMnTi需要进行渗碳、淬火和回火，渗碳、淬火齿面精加工后有效硬化深度为0.15～0.25mm，且不能有淬火及磨削裂纹。其他材料的热处理要求如表1所示。

表1 行星齿轮减速器锻件材料热处理和机械性能

机械性能 硬度HRC材料 热处理J 齿面 芯部20CrMnTi 渗碳、淬火、回火 1000 835 10 45 55 bσsσ δ ψa N/mm2N/mm2k %% 20CrNi2MoA渗碳、淬火、回火 1080 785 8 35 4758～62 30～42 17Cr2Ni2Mo渗碳、淬火、回火 1080 785 8 35 41

4 圆柱圆锥齿轮减速器方案

该方案的示意图如图5所示，其特点是可以改变力矩的方向 即可以把横向运动转为竖直运动，主要用于两轴垂直相交、相错的场合。圆锥齿轮的失效形式、设计准则和材料选择同直齿齿轮。

图5 圆柱圆锥齿轮减速器方案示意图

5 结束语

在上述的四个减速器方案中，圆柱齿轮减速器方案结构简单，有很好的稳定性，符合塔式起重机减速器的各方面要求。在闭式齿轮传动的设计中，齿面点蚀是软齿面齿轮主要失效形式，在设计计算是多数是按照齿面接触疲劳强度。由于具有较高的抗点蚀能力，所以硬齿面的轮齿比较容易折断，故在设计计算时候，按照齿根弯曲疲劳强度来计算，按齿面接触疲劳强度校核。经适当热处理的钢可用作直齿齿轮传动的材料，铸铁常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿轮材料。蜗轮蜗杆减速器方案为整体布局小，传动不平稳，虽然可以实现较大的传动比，但是传动效率低。在蜗轮蜗杆的设计时，只需要对蜗轮进行承载能力计算。常用的蜗轮材料为铸造锡青铜、铸造铝铁青铜及灰铸铁，在对闭式蜗杆传动进行设计计算时按蜗轮轮齿的齿面接触疲劳强度，对齿根弯曲疲劳进行强度校核，并进行热平衡验算；在对开式蜗杆传动设计计算时按齿根弯曲疲劳强度进行计算。行星齿轮减速器太阳轮、行星齿轮的选用材料多采用渗碳、淬火、回火热处理。由于圆锥齿轮较难加工，所以虽然圆柱圆锥齿轮减速器方案布局比较小，但是在实际生产过程中一般较少的使用。

参考文献：

[1]孙建华,李丽,朱磊,等.全地面起重机动力传动技术[J].工程机械,2013,(12):51-54+9.

[2]魏兵，杨文堤.机械设计基础[M].武汉：华中科技大学出版社, 2012.

[3]王玉柱.全液压塔式起重机主要机构的传动特性研究[D].西南交通大学,2015.

中图分类号：TH21

文献标志码：A

文章编号：2096-2789（2017）01-0019-02