本文從行星減速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及在起重機(jī)上的應(yīng)用角度，探討研究零部件的輕量化技術(shù)，以推廣行星減速器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)械輕量化目標(biāo)。

 

1.特點(diǎn)分析

 

（1）行星減速器優(yōu)點(diǎn)

 

行星傳動(dòng)減速器與普通定軸減速器相比，具有體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力高等優(yōu)點(diǎn)。其每組行星單元有3～7個(gè)行星齒輪，可進(jìn)行載荷分流；它采用內(nèi)齒輪傳動(dòng)，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(zhǎng)度尺寸；其齒輪殼體采用內(nèi)齒圈設(shè)計(jì)，替代了定軸減速器的龐大箱體。

 

行星傳動(dòng)有附加運(yùn)動(dòng)，能容易地實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，采用對(duì)稱的分流傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，有利于提高傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，抗沖擊和振動(dòng)能力較強(qiáng)。

 

（2）行星差速傳動(dòng)減速器

 

重型起重機(jī)減速器一般采用多級(jí)行星差速傳動(dòng)減速器。一般行星傳動(dòng)采用多級(jí)行星串聯(lián)傳動(dòng)，靠末級(jí)行星傳動(dòng)承擔(dān)載荷輸出。如圖1所示，載荷輸出由末級(jí)行星架與卷筒連接并輸出時(shí)，末級(jí)行星傳動(dòng)的體積會(huì)很大。而行星差速傳動(dòng)能將多級(jí)行星單元共同傳動(dòng)到齒圈輸出，如圖2顯示的是3級(jí)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(dāng)行星差速傳動(dòng)減速器與一般行星傳動(dòng)減速器制造和工作條件相同時(shí)，行星差速傳動(dòng)減速器質(zhì)量能減輕20%以上。因此行星差速傳動(dòng)是減速器輕量化的關(guān)鍵技術(shù)，其與定軸齒輪減速器參數(shù)對(duì)比如附表所示。

 

（3）硬齒面齒輪熱處理

 

采用硬齒面齒輪傳動(dòng)替代軟齒面或中硬齒面齒輪傳動(dòng)，在一定范圍內(nèi)可使減速器輕量化。對(duì)外齒輪采用優(yōu)質(zhì)滲碳鋼并經(jīng)滲碳淬火處理，表面硬度可達(dá)到58～62HRC，與調(diào)質(zhì)齒輪比較接觸強(qiáng)度成倍增長(zhǎng)，而彎曲強(qiáng)度比調(diào)質(zhì)齒輪約增加50%以上。對(duì)內(nèi)齒輪采用高級(jí)合金結(jié)構(gòu)鋼并經(jīng)調(diào)質(zhì)、氮化處理后，心部硬度可達(dá)270～310HB，表面硬度可達(dá)550～700HV，齒面接觸強(qiáng)度明顯提高，能承擔(dān)更大的載荷。資料介紹，某軋機(jī)減速器用硬齒面齒輪替代調(diào)質(zhì)齒輪后質(zhì)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(rùn)滑狀態(tài)，降低嚙合噪聲，需對(duì)齒輪的齒形和齒向進(jìn)行修整。如需改善某些高速齒輪嚙合質(zhì)量，還應(yīng)增大齒輪的齒高系數(shù)，以使其彎曲變形會(huì)更大。對(duì)承載能力高、精度等級(jí)高的硬齒面齒輪采用齒輪齒形和齒向修形技術(shù)，不僅能提高齒輪接觸精度和嚙合質(zhì)量，還能提高許用節(jié)圓線速度40%左右。

 

（5）新材料應(yīng)用

 

隨著上述硬齒面齒輪的采用，齒輪的材料也發(fā)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(qiáng)度、沖擊值提高10%，17Cr2Ni4材料抗拉強(qiáng)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(zhì)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(shù)齒輪的心部硬度，從而提高大模數(shù)齒輪的彎曲強(qiáng)度。此外，可采用新型粉末冶金多摩擦片式制動(dòng)替代尺寸龐大的帶式制動(dòng)或鉗盤式制動(dòng)。

 

2.技術(shù)研究

 

（1）嚙合參數(shù)的選擇

 

在行星齒輪計(jì)算中嚙合角或變位系數(shù)的選擇，對(duì)減速器的承載能力、使用壽命、減小尺寸和減輕質(zhì)量特別重要，在常用傳動(dòng)形式（NGW）傳動(dòng)中，外嚙合的接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度低于內(nèi)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(shù)是減速器輕量化的有效途徑。

 

（2）新型均載結(jié)構(gòu)

 

行星傳動(dòng)減速器每組行星單元中多個(gè)行星齒輪的載荷應(yīng)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(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的6級(jí)精度。此時(shí)行星架的行星軸線位置度誤差不得大于形位公差國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的5級(jí)。

 

二是使每組零部件浮動(dòng)。減速器中的太陽(yáng)輪、行星架浮動(dòng)，可在行星齒輪受力時(shí)自動(dòng)找平衡，使每個(gè)行星齒輪的受力均勻，從而實(shí)現(xiàn)行星齒輪的載荷分布均勻、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、承載能力提高。

 

（3）新型制動(dòng)器

 

新型行星減速器采用內(nèi)置制動(dòng)器替代結(jié)構(gòu)龐大的帶式制動(dòng)器和鉗盤式制動(dòng)器，因此制動(dòng)可靠、使用壽命長(zhǎng)。內(nèi)置制動(dòng)器采用濕式多摩擦片式制動(dòng)，由多組主動(dòng)片和從動(dòng)片組成，主動(dòng)片采用彈簧鋼并經(jīng)淬火處理，從動(dòng)片采用銅基或紙基粉末冶金摩擦材料。制動(dòng)摩擦片通過(guò)彈簧、活塞壓緊閉合，實(shí)現(xiàn)行星減速器的駐車制動(dòng)。解除制動(dòng)時(shí)，油液壓力推動(dòng)活塞動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)。

 

（4）浮封環(huán)密封方式

 

浮封環(huán)密封的特點(diǎn)是能承受齒輪箱一定的內(nèi)部壓力，并能阻擋外部的泥水及灰塵，特別適合大型起重機(jī)械野外或露天的工作環(huán)境。行星減速機(jī)的回轉(zhuǎn)結(jié)合面采用浮封環(huán)密封時(shí)，浮封環(huán)與兩相對(duì)回轉(zhuǎn)零件采用O形圈分別壓嵌在兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件的座腔內(nèi)，形成靜密封；浮封環(huán)的回轉(zhuǎn)結(jié)合面采用1對(duì)耐磨合金鑄件并經(jīng)研磨形成非常細(xì)密的刃帶，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)結(jié)合面動(dòng)密封。

 

（5）內(nèi)藏式結(jié)構(gòu)

 

如圖1和圖3所示，行星減速器可以安裝在起重機(jī)械卷?yè)P(yáng)和變幅機(jī)構(gòu)卷筒的內(nèi)部，也可安裝在起重機(jī)行走履帶鏈輪或機(jī)器的*終傳動(dòng)內(nèi)，從而減小了卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)的安裝空間，改善了起重機(jī)的通過(guò)性，并使其易于安裝。

 

（6）雙行星減速器驅(qū)動(dòng)

 

因?qū)Υ笮偷钠鹬貦C(jī)的卷?yè)P(yáng)和變幅機(jī)構(gòu)的扭矩要求較大，必要時(shí)可采用雙行星減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，即在同一卷筒的兩端各安裝1臺(tái)相同的行星減速器，2臺(tái)減速器共同驅(qū)動(dòng)卷筒進(jìn)行工作，如圖4所示。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是增大了機(jī)構(gòu)的扭矩，而卷筒直徑?jīng)]有增大。行走機(jī)構(gòu)也可由雙驅(qū)動(dòng)改為4個(gè)行星減速器驅(qū)動(dòng)，這樣可降低總成成本。

 

（7）零部件改進(jìn)

 

早期的行星架一般采用雙壁整體式鑄造或焊接結(jié)構(gòu)和雙壁裝配式結(jié)構(gòu)（如圖1中的行星架），其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸龐大。現(xiàn)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(zhì)量1/3以上，而且便于裝配。

 

采用齒輪軸輸出，簡(jiǎn)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(duì)軸徑和齒數(shù)的限制，提高了輸出齒輪的強(qiáng)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(yōu)質(zhì)滲碳鋼20CrMnTi、20CrMnMo和17Cr2Ni4材料，鍛造后或粗加工后進(jìn)行正火處理時(shí)，要求其正火溫度超過(guò)滲碳溫度，起到細(xì)化組織、減少滲碳變形的作用。機(jī)械加工后若采用計(jì)算機(jī)控制的多用爐進(jìn)行滲碳淬火和回火處理，表面硬度可達(dá)到58～62HRC，心部硬度可達(dá)到30～45HRC，齒部接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都能達(dá)到比較理想的狀態(tài)。

 

內(nèi)齒輪若采用高級(jí)合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo材料，鍛造后再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理時(shí)，使用多用爐可保證其調(diào)質(zhì)硬度均勻，氮化時(shí)不變形，心部硬度可達(dá)270～310HB.機(jī)加工制齒后若采用等離子氮化爐進(jìn)行氮化處理，氮化深度可達(dá)0.5mm左右，表面硬度可達(dá)550～700HV，齒部接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度也都能達(dá)到比較理想的狀態(tài)。

 

（2）硬齒面齒輪加工

 

硬齒面齒輪加工時(shí)，應(yīng)先采用滾齒機(jī)或插齒機(jī)對(duì)齒輪坯制齒，進(jìn)行滲碳淬火后，再采用數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機(jī)磨齒。

 

對(duì)加工批量大、精度高、齒數(shù)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(duì)于齒數(shù)少、模數(shù)大的太陽(yáng)輪及軸齒輪加工時(shí)，其內(nèi)齒輪一般采用數(shù)控或高速插齒機(jī)插齒成形，表面氮化處理后不再磨齒，當(dāng)需要磨齒時(shí)可用成形砂輪磨齒機(jī)進(jìn)行磨齒。

 

據(jù)資料介紹，行星齒輪減速機(jī)在齒輪精度為4～8級(jí)范圍內(nèi)時(shí)，精度等級(jí)每提高一級(jí)可使承載能力提高10%左右（或使體積、質(zhì)量減少8%～10%），工作噪聲降低2～3dB.

 

對(duì)超大型起重機(jī)械齒輪硬齒面加工時(shí)，若外齒輪模數(shù)m大于10、直徑大于500mm時(shí)，應(yīng)采用大型滾齒機(jī)滾齒。滾齒后需要先修整齒根圓弧，滲碳淬火后，再采用數(shù)控立式成形砂輪磨齒機(jī)磨齒。對(duì)內(nèi)齒輪仍以插齒為主，也可進(jìn)行銑齒，氮化處理后再進(jìn)行磨齒。

 

（3）齒輪的修形

 

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

 

齒輪修形一般采用剃齒或磨齒方法，我國(guó)主要采用磨齒的方法。采用磨齒方法對(duì)經(jīng)過(guò)滲碳淬火的行星齒輪進(jìn)行修形，能消除熱處理變形。數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機(jī)具備齒向鼓形齒修形功能，通過(guò)特殊金剛石砂輪修整滾輪，可以進(jìn)行齒形修形。使用數(shù)控成形砂輪磨齒機(jī)能進(jìn)行齒形及齒向修形。

 

（4）軸承的選配與預(yù)緊

 

行星傳動(dòng)減速機(jī)的所有部件都選用滾動(dòng)軸承支撐。行星齒輪的內(nèi)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(duì)于連接支架和齒圈的2個(gè)圓錐滾子軸承，要求必須選用加強(qiáng)型圓錐滾子軸承，且必須成對(duì)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(dāng)減速器工作時(shí)由于載荷徑向力的作用會(huì)使圓錐滾子軸承產(chǎn)生徑向間隙，導(dǎo)致軸承滾子與內(nèi)外圈圓錐面發(fā)生不正常接觸，從而造成軸承或齒輪損壞。此時(shí)可給2個(gè)圓錐滾子軸承1個(gè)預(yù)緊力，保證軸承受力時(shí)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

 

（5）行星減速器的試驗(yàn)

 

在出廠前要對(duì)行星減速器逐臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，檢驗(yàn)項(xiàng)目包括噪聲測(cè)試、制動(dòng)力矩測(cè)試和密封性試驗(yàn)等。對(duì)采用計(jì)算機(jī)控制的專用行星減速機(jī)，應(yīng)在載荷試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行載荷、扭矩、轉(zhuǎn)速、效率和溫度等實(shí)試驗(yàn)。

 

行星齒輪減速器具有體積小、質(zhì)量輕、效率高和承載能力大等特點(diǎn)，非常適應(yīng)起重機(jī)械減速器輕量化要求，起重機(jī)械采用行星減速器可比傳統(tǒng)減速器的質(zhì)量降低15％～20%.