摘要：分析了目前国内减速机存在的不足,介绍了内平动传动的原理,创新设计了内平动传动机构。通过与国内外减速机的对比,总结了内平动传动的优点。结合内平动传动的特点,研究了内平动传动技术在起重机起升机构、运行机构和在电动葫芦卷扬机构中的应用。

关键词：内平动；齿轮传动；起重机；电动葫芦

我国的减速器普遍存在着功率与重量比小,或者传动比大而机械效率过低和使用寿命不长等问题,制约着我国机械工业的发展。20世纪60年代开始生产的少齿差行星传动、摆线针轮传动、谐波传动等减速器,具有传动比大、体积小、机械效率高等优点,但受其传动原理的限制,不能传递过大的功率,功率一般都要小于40kW。90年代初期,国内出现了三环减速器,它可实现较大的传动比,传递载荷的能力也大,其体积和重量都比定轴齿轮减速器轻,结构简单,效率亦高,在机械领域获得了广泛应用。但由于该减速器的三轴平行结构使功率与体积(或重量)的比值仍然较小,且其输入轴与输出轴不在同一轴线上,这在使用上有许多不便。

另外,三环减速器的附加动载荷大、啮合冲击力大、振动剧烈、结构复杂且安装不便。内平动齿轮传动是一种特殊的少齿差行星齿轮传动,它是在平行曲柄机构原理和行星传动理论基础上开发的一种传动方式,将平动输入转化为转动输出。在一对内啮合齿轮副中内齿轮做定轴转动,外齿轮在曲柄的带动下做平面运动。由于做平面运动的外齿轮在齿轮啮合的内部,所以形象地把这种传动形式称之为内平动齿轮传动(外齿轮就是连杆)。该减速器属节能型传动装置,也是减速器的换代产品,除具有三环减速器的优点外,还有功率与重量(或体积)比值大、输入轴和输出轴在同一轴线上、既可减速又可增速以及振动小等优点,处于国内领先地位。

我国起重机产品普遍存在自重大(一般比国外起重机重20%～50%)、传动效率低、耗能大等缺点。为了适应技术发展和国家节能的要求,起重机行业正面临着一场技术革命,高能耗起重机将逐渐被淘汰,取而代之的将是节能环保和轻便型起重机。内平动齿轮传动技术在起重机上的应用将是一个创新和亮点。

1内平动齿轮传动原理

1.1传动原理

外齿轮在平动发生器(曲柄)的驱动下作平面运动,通过外齿轮与内齿轮齿廓间的啮合,驱动内齿轮作定轴减速转动,起到减速传动的作用。其原理图见图1。

1.2传动比的计算

由图2可知,作平动的构件上各点绝对速度处处相等,所以平动构件上的P点和B点的绝对速度相等。故有

图1内平动齿轮减速机构基本原理

图2内平动齿轮传动比计算示意图

齿轮2绕圆心O2转动,故齿轮2上P点的速度为

VP2=ω2R2

P点为两齿轮的速度瞬心,故有

1.3内平动齿轮传动机构

为减小机构尺寸,把两曲柄转动中心A、D缩短到外齿轮1的幅板内部。图1(a)所示的机构为图3(a)所示机构的进一步创新,对图3(a)所示机构进行结构创新设计,并采用2个外齿轮相位差°布置,可得到图3(b)所示的机械结构模型图。装配原理图如图4所示。

2内平动齿轮传动的优点

(1)传动比大。单级传动比在10～以上,二级传动比可达0。

图3内平动齿轮减速装置机构图及结构模型图

图4内平动减速机装配原理图

(2)承载能力大。由于少齿差内啮合曲率半径接近,齿形相差极小,啮合时几乎是全齿面接触,齿面赫兹应力小。单偏心轴中心输入改为多偏心轴输入后,单个转臂轴承变换为多个转臂轴承分担载荷,转臂轴承的寿命可达2万h。由多个外齿轮共同驱动内齿中心轮,载荷由多个外齿轮分担,提高了整机的承载能力。瞬时过载能力突出,是额定载荷的2.7～4.0倍。输出轴的转矩高达kNm。

(3)传动效率高。同K-H-V型少齿差行星传动相比,因省去了W输出机构,且转臂承受力仅为K-H-W型少齿差行星传动转臂承受力的60%。另外,内平动齿轮传动的两齿轮回转方向相同,相对角速度小,使齿廓间的相对滑动速度减小,所以内平动齿轮传动摩擦较轻。再者,由于主、从动齿轮的转向相同,故润滑油不会挤出,摩擦损失小。所以内平动齿轮传动效率高,啮合效率大于95%,整机效率在85%以上,且传动装置的效率将不随传动比的增大而降低,这是其他传动装置所不及的。

(4)结构紧凑、体积小、重量轻。没有一般行星齿轮传动的行星架和少齿差行星传动的输出机构,简化了机构,保留了同轴线动轴传动结构紧凑的特点。比普通齿轮减速器的重量相应减小1/3～2/3,比相同体积的摆线针轮减速器承载能力大40%。

(5)传递功率范围大,可达W以上。

(6)应用范围广。可以与电机制成一体,可以与卷筒制成一体,也可以和制动器制成一体起到安全制动器的作用。与国内先进传动装置相比,内平动齿轮传动装置性能优良,体积更小。

3内平动齿轮减速器在起重机械中的应用

(1)代替普通传统的减速器。目前,一般额定起重量大于t的起升机构通常使用开式齿轮,使得起升机构笨重,又浪费原材料和能源。在这些起重机的起升机构减速器可换用体积和重量都较小的内平动齿轮减速器,从而达到结构紧凑、减轻起升机构重量和整机高度的目的,节能效果也十分显著。

(2)在低速重载的起重设备中,例如用在启闭机的起升机构中,将加工好的内齿圈通过螺栓与卷筒连接,共同作为内平动齿轮传动的内齿圈,将减速器的其余部分放在卷筒内部,有效减少了驱动装置的重量和占用空间。由于除了卷筒轴之外,外齿轮通过啮合副和内齿圈对卷筒起到支撑作用,故也可以降低支撑结构的成本,提高卷筒承载能力。

(3)开发新型电动葫芦。同样将卷筒作为内齿圈,将其它两部件放在卷筒内部,可以简化电动葫芦的结构,使结构更为合理,受力均匀。改善目前电动葫芦3根轴分布不对称的问题：将3个外齿轮沿卷筒轴向分布,可改善一端驱动受力不均的弊端；也可以将电动机与内平动齿轮减速器连成一体,代替普通电动葫芦的锥形电机。图5(a)为电机和减速机两端布置方式,图5(b)为电机、计算机、制动器三合一布置方式。

(4)制成安全制动卷筒。内平动齿轮传动装置的内齿圈直接就是低速级,将内齿圈与卷筒法兰盘刚性连接,并将内齿圈直接作为制动轮,可以起到安全制动器的作用,并且方便布置,简化起升机构的结构,减小起升机构的重量。

a?两端布置

b?三合一布置

图5内平动卷筒

(5)与车轮一起制成轮边减速装置。内平动齿轮传动机理成功应用到起重机上,填补了该技术在起重机上应用的世界空白,给起重机行业带来一次革命,推动起重机向节能环保的方向快步发展,并能够取得多项专利成果。

4结论

(1)内平动齿轮传动机构体积小、重量轻、传动效率高,用在起重机上可以有效减小起重机的自重和体积,起到轻量化和节能作用。

(2)内平动齿轮传动机构应用范围广,可以用在起重机起升机构、运行机构,也可以用在电动葫芦卷筒上。

(3)内平动齿轮传动机构可以给起重机起升机构的创新设计提供多种可行方案。

作者

王松雷1,2,张瑞3,邹雪4

1.江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院

2.国家桥门式起重机械产品质量监督检验中心

3.浙江奇扬升起重机械有限公司

4.苏州柯纳特工业技术有限公司

参考文献

[1]王松雷,韩刚.内平动齿轮减速器应用研究

[2]张春林,李志香,赵自强.机械创新设计

[3]王松雷.平动齿轮传动运动学分析

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