塔式起重機減速器設計的比較分析

陳定鈺

（南京工業大學浦江學院，江蘇 南京 211112）

摘 要：起重機各組件的傳動性能決定了塔式起重機傳動性能的好壞。傳動總體設計水平，決定了起重機的使用質量和產品的壽命。位于電機與卷筒軸之間的各種減速器的型式對傳動機構的傳動影響最大。文章主要研究了塔式起重機常用的四種減速器方案，從直齒齒輪、蝸輪蝸桿和行星齒輪的失效形式、設計準則、材料選擇三個方面進行比較分析。

關鍵詞：塔式起重機；直齒齒輪；蝸輪蝸桿

塔式起重機傳動性能決定于起重機各組件的傳動性能，而且很重要一部分與傳動系統總體布置有關。常見塔式起升機構的布置方案如圖1所示。起升機構要求傳動裝置的轉速高，傳遞扭矩大，要具有一定的補償性能，安全可靠，體積小，轉動慣量小。

對起升機構傳動型式影響較大的部位有：①在電機與減速器高速軸之間：浮動軸、聯軸器、制動器；②在電機與卷筒軸之間：各種減速器型式、附加開式齒輪；③減速器低速軸與卷筒軸之間：聯軸器等。為了得到較大的轉矩，一般起升機構都會采用減速器，減速器含有速度轉換器，速度轉換器的作用是將回轉數減速到所需要的回轉數。減速器在降速同時可以提高輸出扭矩，扭矩輸出比例按電機輸出乘減速比同時還降低了負載的慣量。目前常見的減速器有行星齒輪減速器、圓柱齒輪減速器、圓柱圓錐齒輪減速器和蝸輪蝸桿減速器，文章主要針對這四種減速器的設計進行比較分析。

1 圓柱齒輪減速器方案

該方案的示意圖如圖2所示，其優點為是結構簡單，精度容易保證，而且節省空間，承受過載能力高，輪齒可做成直齒、斜齒和人字齒。缺點是沿齒向載荷分布不均勻，齒輪相對于軸承不對稱布置。直齒齒輪傳動的特點是適用的圓周速度和功率范圍廣、傳動效率高、傳動比穩定，直齒齒輪需要很高的制造標準，對安裝提出了很高的精度要求，成本不菲，且志適用于近距離傳動。

1.1 直齒齒輪的失效形式

直齒齒輪的失效形式有齒輪折斷、齒面磨損、齒面點蝕、齒面膠合、塑性變形。折斷常發生于齒寬較小的直齒輪，可通過增大齒根圓角半徑、提高齒面精度、增大模數等措施來改善；齒面點蝕常發生于閉式軟齒面（布氏硬度小于350）傳動中，而且點蝕的形成與潤滑油的存在密切相關，點蝕常發生于偏向齒根的節線附近，可通過提高齒面硬度和齒面質量來改善；齒面膠合可通過采用異種金屬、降低齒高、提高齒面硬度等措施來改善；齒面磨損是開式傳動的主要失效形式，可通過改善潤滑和密封條件來改善。

1.2 直齒齒輪傳動的設計準則

開式齒輪傳動的失效形式多是齒面磨損，所以在進行設計計算時候，通常按照齒根彎曲疲勞強度進行，由于存在磨損因素，故可將模數增大10%～20%。在閉式齒輪傳動的設計中，齒面點蝕是軟齒面齒輪主要失效形式，在設計計算是多數是按照齒面接觸疲勞強度。由于具有較高的抗點蝕能力，所以硬齒面的輪齒比較容易折斷，故在設計計算時候，按照齒根彎曲疲勞強度來計算，按齒面接觸疲勞強度校核。對于高速重載齒輪，還應按齒面抗膠合能力的準則進行設計。

1.3 直齒齒輪傳動的材料選擇

直齒齒輪的要有很高的硬度，來防止各種失效形式的發生，要抵抗齒根折斷和沖擊載荷，齒芯還應有足夠的強度和較好的韌性，并要求有良好的加工工藝性能及熱處理性能。當齒輪的載荷比較平穩，或者齒輪承受輕度載荷的沖擊，此時可選擇正火碳鋼，當齒輪承受中度沖擊載荷，則可選擇調質碳鋼，當齒輪承受重載荷并存在沖擊載荷的情況下，一般需要選擇合金鋼。

2 蝸輪蝸桿減速器方案

該方案的示意圖如圖3所示，其特點是結構緊湊，傳動比大，工作平穩，噪聲小，但效率較低。蝸輪蝸桿減速器方案具有反向自鎖功能，有較大的速比，輸入軸和輸出軸不在同一直線上，也不在同一平面上。該方案的缺點是體積較大，效率不高（65%～70%），精度不高（8級）。

該方案采用的是蝸輪蝸桿，蝸輪蝸桿傳動的特點是傳動比大，一般i =10～80，最大可達1000，重合度大，傳動平穩，噪聲低；結構緊湊，可實現反行程自鎖。蝸輪蝸桿傳動的主要缺點齒面的相對滑動速度大，效率低，蝸桿的造價較高。

2.1 蝸輪蝸桿的失效形式

蝸輪蝸桿減速機的蝸桿傳動的失效形式主要有：膠合、磨損、疲勞點蝕和輪齒折斷等。

在工作時蝸輪蝸桿的嚙合面的傳動效率不高，兩者有較高的滑動速度，且伴隨著較大的發熱量，故如果不能很好的潤滑和散熱，那么蝸輪蝸桿的主要失效形式是膠合和磨損。

2.2 蝸輪蝸桿傳動的設計準則

在材料的強度和結構方面，蝸桿要優于蝸輪，所以失效多發生在蝸輪輪齒上，設計時只需要對蝸輪進行承載能力計算。目前還無法有效的獲得膠合與磨損時的有關數據，所以蝸輪蝸桿是按照齒輪傳動中彎曲和接觸疲勞強度進行設計計算的。

在對閉式蝸桿傳動進行設計計算時按蝸輪輪齒的齒面接觸疲勞強度，對齒根彎曲疲勞進行強度校核，并進行熱平衡驗算；在對開式蝸桿傳動設計計算時按齒根彎曲疲勞強度進行計算。

2.3 蝸輪蝸桿傳動的材料選擇

蝸桿多使用碳鋼或者合金鋼，以保證足夠的強度，并且滿足工作環境對蝸輪蝸桿的磨合性能、減磨性、耐磨性以及抗膠合能力等方面的要求。高速重載蝸桿常用15Cr 或20Cr、20CrMnTi等，并經滲碳淬火；也可以40、45 或40Cr并經淬火。40、45鋼在經過調質處理后可用于低速中載的蝸桿，硬度為220～300HBS。蝸輪材料為選用鑄造錫青銅（ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5），鑄造鋁鐵青銅（ZCuAl1010Fe3）及灰鑄鐵（HT150、HT200）等。

3 行星齒輪減速器方案

該方案的示意圖如圖4所示，其特點是有效利用了功率分流和輸入、輸出的同軸性以及合理地使用了內嚙合，并且該方案的傳動效率很高，占用的體積相對其他方案來說偏小，重量也輕，可以承載更高的載荷，且具有很好的平穩性。

3.1 行星齒輪的失效形式

當傳遞功率高、制造精度偏差且潤滑條件不好時，行星齒輪減速器失效形式多表現為在齒輪工作表面發生疲勞點蝕或膠合破壞。

3.2 行星齒輪傳動的設計準則

在對行星齒輪傳動進行設計時，要保證齒輪齒根彎曲疲勞強度和保證齒面的接觸疲勞強度，在閉式齒輪傳動中，通常以保證齒面接觸接觸疲勞強度為主。

3.3 行星齒輪傳動的材料選擇

在加工行星齒輪減速器太陽輪、行星齒輪時，所選用的材料多需要進行熱處理，例如20CrMnTi需要進行滲碳、淬火和回火，滲碳、淬火齒面精加工后有效硬化深度為0.15～0.25mm，且不能有淬火及磨削裂紋。其他材料的熱處理要求如表1所示。

4 圓柱圓錐齒輪減速器方案

該方案的示意圖如圖5所示，其特點是可以改變力矩的方向 即可以把橫向運動轉為豎直運動，主要用于兩軸垂直相交、相錯的場合。圓錐齒輪的失效形式、設計準則和材料選擇同直齒齒輪。

5 結束語

在上述的四個減速器方案中，圓柱齒輪減速器方案結構簡單，有很好的穩定性，符合塔式起重機減速器的各方面要求。在閉式齒輪傳動的設計中，齒面點蝕是軟齒面齒輪主要失效形式，在設計計算是多數是按照齒面接觸疲勞強度。由于具有較高的抗點蝕能力，所以硬齒面的輪齒比較容易折斷，故在設計計算時候，按照齒根彎曲疲勞強度來計算，按齒面接觸疲勞強度校核。經適當熱處理的鋼可用作直齒齒輪傳動的材料，鑄鐵常作為低速、輕載、不太重要的場合的齒輪材料。蝸輪蝸桿減速器方案為整體布局小，傳動不平穩，雖然可以實現較大的傳動比，但是傳動效率低。在蝸輪蝸桿的設計時，只需要對蝸輪進行承載能力計算。常用的蝸輪材料為鑄造錫青銅、鑄造鋁鐵青銅及灰鑄鐵，在對閉式蝸桿傳動進行設計計算時按蝸輪輪齒的齒面接觸疲勞強度，對齒根彎曲疲勞進行強度校核，并進行熱平衡驗算；在對開式蝸桿傳動設計計算時按齒根彎曲疲勞強度進行計算。行星齒輪減速器太陽輪、行星齒輪的選用材料多采用滲碳、淬火、回火熱處理。由于圓錐齒輪較難加工，所以雖然圓柱圓錐齒輪減速器方案布局比較小，但是在實際生產過程中一般較少的使用。

參考文獻：

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中圖分類號：TH21

文獻標志碼：A

文章編號：2096-2789（2017）01-0019-02