折叠臂式起重机回转晃动大问题分析和解决方案_熊亭.pdf

22工程机械与维修TECHNOLOGY&MAINTENANCE技术维修0 引言可实现 360连续回转的折臂式起重机，多采用液压马达+行星减速机作为驱动机构，根据驱动力的大小，选用1 个或者多个减速机。然而，某厂生产的 320 采用单减速机的折臂式起重机，在市场上很多客户反馈，其回转停止时晃动量很大，不容易控制。而相对来讲，采用双减速机折臂式起重机的回转晃动量则要小很多。对于部分小型折臂式起重机而言，采用双减速机的布置方案，一方面结构件上需要开孔布置减速机，对整体的强度降低较大；另一方面，成本增加较多，客户接受程度差。在单减速机布置方式不变的前提下，最大程度的减少回转晃动量，则成为需要解决的问题。本文通过理论和试验研究回转减速机的内部结构原理、安装方式，以及与回转支承啮合情况，探讨了装配间隙、零部件刚性等因素。研究发现，通过改变安装方式，提升齿轮精度等级、增加回转输出轴直径、增加行星轮数量等方式，降低自由间隙，增强整体刚度，可实现更小的回转晃动。1 二级行星减速机结构与原理某二级行星减速机原理如图 1 所示。二级行星减速机内部结构如图 2 所示。通常，减速机通过在输入轴处增加湿式多层制动片，来实现可靠的制动。但该制动片仅能对输入轴的运动进行限制，而对于后部分因各级减速齿轮之间的间隙、刚性等引起的变形量无法限制，因此导致出现回转现象。2 行星减速机的运动和动力学分析截取其中一级行星减速机构，进行运动和受力分析，如图 3 所示。折叠臂式起重机回转晃动大问题分析和解决方案熊亭1 李小飞2摘要：针对某单位安装单回转装置的折臂式起重机存在的回转停止时回转晃动大的问题，进行了理论分析和对比测试。研究结果表明，减速机止口安装间隙、齿轮啮合侧隙、齿轮内部间隙和回转装置自身的刚性对晃动量影响较大，据此对装配间隙控制和减速机结构进行了优化。试验结果表明，通过控制减速机安装间隙，提高齿轮精度等级，增大回转装置刚性，使晃动量得到明显的改善。关键词：折臂式起重机；行星减速机；回转晃动量；间隙；刚性（1.山河智能装备股份有限公司，湖南 长沙 410131；2.韶关市起重机厂有限责任公司，广东韶关 512126）二级行星减速一级行星减速制动器输入轴输出轴图1 二级行星减速机原理图2 二级行星减速机内部结构图3 行星减速机的运动和受力分析行星轮行星架太阳轮机架 2.1 二级行星减速机运动学分析根据行星减速机的运动关系，可以很容易的推导出输入轴（太阳轮）和输出轴（行星架）、行星轮和输出轴（行星架）之间的运动方程如式（1）所示。CM&M 2023.0123 （1）从（1）中可以发现，理论上，减速机输出轴的转动仅与太阳轮和机架的齿数相关，而行星轮主要起到一个动力传递的作用。但实际上由于加工、安装等因素，齿轮和齿轮之间会存在安装配合间隙。该间隙的存在使得输入轴无动作时，输出轴仍存在轻微的晃动。2.2 动力学分析以图 3 所示的运动方向进行分析，输入轴提供扭矩T1，其通过和行星轮的齿轮啮合，传递给行星轮力F，行星轮反向运动，不考虑行星轮旋转的摩擦力和惯性力、机架作用给行星轮的力也为F，且与太阳轮和行星轮的啮合方向相同，因此T2=0。这两个力向行星架的回转中心求矩，则为输出的扭矩TH计算如下：（2）（3）从式（3）可以发现，输出轴扭矩和收入轴扭矩与太阳轮齿数和机架齿轮相关，正好与转速之比相反。行星轮仅起到一个动力传递的作用。3 回转晃动量影响因素分析影响回转晃动量的主要包括减速机安装止口间隙、减速机和回转支承的齿轮啮合间隙以及减速机输出齿轮的转动量三个因素影响。3.1 减速机安装止口间隙 回转减速机在折臂吊转台等结构上的止口，用于实现径向和轴向定位，如图 4 所示。一般减速机止口的公差为 F7，相关止口的精度为 H8H10 级。如果因设计或加工因素增加间隙量，则配合间隙1引起的回转晃动量1（以转台的旋转角度进行衡量）按照下式计算：（4）式中：ars为回转减速机和回转支承的安装距。3.2 减速机和回转支承的齿轮啮合间隙 减速机和回转支承的齿轮啮合间隙2受两者之间的安装距影响，如图 5 所示。齿轮啮合间隙导致的回转晃动量2可按下式计算：（5）一般需要将减速机输出齿轮和回转支承的啮合间隙控制在 0.30.6mm2。间隙过大会导致回转晃动量增加，间隙过小会导致回转过程中咬齿抖动。在实际安装过程中，为减少由于安装距误差导致的齿轮啮合间隙加大，通常采用人工配焊安装法兰或者采用可偏心调节机构的减速机来实现。3.3 减速机输出齿轮的转动量行星齿轮和太阳轮、行星齿轮、机架内齿圈的加工精度，齿轮之间、齿轮和安装轴之间的装配间隙，引起的输出齿轮的自由转动量3。该转动量越小越好，但是过小的转动量对加工和装配精度要求很高，成本也会相应增加，一般建议不超过 0.5。轴、齿轮、行星架等内部的结构刚性，导致在外部大扭矩作用下因刚性变形而输出轴出现转动量4。根据式（1）、（2）可知，由于存在较大的减速比，第一级减速机的刚性变形对输出轴角度变化影响不大，第二级减速结构的参数影响较大。本文重点分析该部分的刚性影响。3.3.1 输出轴的影响根据材料力学3可知，扭转角和输入扭矩、输出轴的长度成正比，和输出轴的极惯性矩成反比，如公式（6）所示。由公式（6）可以看出，输出轴直径越大、长度越短，则在同等的扭矩作用下，扭转角越小，刚性越强。（6）3.3.2 行星架的影响行星架和输出轴属于刚性连接，因此其刚性亦可参考式（1）至（6）来设计计算。但是由于其为中空结构，需要布置行星轮。一般可通过增加行星架的直径或者上下层的厚度，来加强刚性。3.3.3 行星轮的影响行星轮的轮齿分别和机架轮齿和太阳轮轮齿啮合，受图4 回转减速机安装止口图5 减速机与回转支承啮合间隙2ars24工程机械与维修TECHNOLOGY&MAINTENANCE技术维修力方向一致，而该作用力使得轮齿发生弹性变形。通过增加行星齿轮的模数和行星齿轮的数量，一方面可以减少单个行星齿轮的受力，另一方面，通过增加行星齿轮的刚性，可减小变形、提高刚度。3.3.4 太阳轮的影响太阳轮和行星轮始终处于啮合状态，其在受到外部扭矩作用下的旋转变形量，包括处于啮合状态下轮齿的弹性变形、齿轮与齿轮轴整体的旋转变化量两部分。齿轮啮合时啮合点的不断变化，为此轮齿的啮合变形量也是一直变化的3（其变形占比并不大）。齿轮和齿轮轴的变形量则与太阳轮受到的扭矩大小相关，而这个扭矩和二级减速的速比成反比，因此增加二级减速机的速比，增加太阳轮的模数和齿数，都可以减少扭转变形量、提高刚性。综上所述，齿轮的转动量导致的回转晃动量3可按下式计算：（7）式中：Zr为回转减速机输出齿轮数量，Zs为回转支承齿轮数量。总的回转晃动量为以上三者之和，其计算如下：（8）以上三个因素中，第 1 个和第 2 个因素引起的晃动量比较容易控制，而第三个因素受到减速机的整体安装齿轮、内部齿轮、行星架、输出轴等零件的尺寸、加工精度等因素影响，提升会更加困难。根据以上分析，针对某公司的 320 型单回转起重机回转晃动大的问题，进行了以下方面的改进，如表 1 所示。4 试验测试4.1 试验方法为验证优化前后对回转晃动量的控制效果，本文设计了一个可以进行回转晃动量量化测试的试验方案，试验设备如图 6 所示。将磁吸百分表底座放置在转台结构上，百分表的末端夹紧一个铅笔，铅笔下方放置一白纸。将吊臂伸出一定长度，一人用固定的力量推动吊臂端部，吊臂带动转台左右晃动。铅笔则可在白纸上画出一定长度的线段，通过测量线段长度和线段与转台回转中心的距离，可获得转台的晃动量数值。4.2 试验过程及结论用该试验设备，分别测试改进前单减速机、间隙优化和刚性加强改进后单减速机和双减速机的回转晃动量，得到如表 2 的结果。试验表明：通过控制安装止口间隙，利用法兰座配焊的方式，最大程度消除了齿轮啮合间隙。同时，通过选配齿轮的方式控制减速机的自由间隙量，并通过增加输出轴的方式提升减速机刚性的方法，可以有效减小回转晃动量。但其回转晃动量仍大于双马达起重机，究其原因有两方面：一方面，双单减速机吊机的齿轮啮合间隙可以互相影响并减弱；另一方面，双马达的整体刚性较单马达更强，在同样的冲击下，产生的弹性变形更小。5 结语针对折臂式起重机配置单回转减速机回转晃动大的问题，本文从减速机的原理、运动学和动力学角度进行了分析，同时对止口间隙、啮合间隙、减速机的装配间隙和减速机的回转刚度等角度进行了讨论。针对某厂的 320 型起重机回转晃动大问题进行了优化改进，通过可量化的试验，验证了通过控制间隙和增强减速机刚性，可使得回转晃动量显著减少。参考文献1 渐开线行星齿轮传动的设计与制造编委会.渐开线齿轮行星传 动的设计与制造 M.北京:机械工业出版社,2002.2 李刚.汽车起重机回转抖动故障研究与对策.J.机械工程,2013.(7):134-136.3 刘庆潭.材料力学 M.北京:机械工业出版社,2003.4 李宽阳,陈彩凤.行星齿轮系统时变啮合刚度研究 J.通信电源 技术,2015.(5):90-95.表 1 减速机优化内容项 序号优化内容优化前优化后1减速机安装止口间隙/mm0.50.152减速机和回转支承齿轮啮合间隙/mm 0.6 0.33输出轴直径/mm65704行星轮模数2.52.755行星轮数量34 表 2 改进前后的回转晃动量对比结果 mm项目改进前单减速机改进后单减速机双减速机第一次854第二次1063第三次1253图6 试验设备a 局部 b 整体