（机械设计及理论专业论文）大型起重机变幅水平位移差动减速器补偿研究.pdf

武汉理t 大学硕+ 学位论文 摘要 随着港口进出口贸易的蓬勃发展，港口装卸机械也开始向着大型高速化、 自重轻型化、高效节能化的方向发展。为适应这种发展要求，港口机械也进行 了一系列的技术革新。机械差动减速器在桥式抓斗卸船机上的运用，实现了其 起升、开闭、小车行走运动的组合，很大程度上简化了传动装置，使其结构紧 凑，减轻了整机的重量，符合港口机械的发展趋势。受此启发，将行星差动技 术运用到单臂架起重机的变幅和起升机构中，通过差动减速器来实现起重机变 幅过程中吊重的水平移动，减少驱动机构功率损耗，同时可减轻整机的自重。 本文以大型单臂架起重机为研究对象，根据行星差动原理，运用一套差动 减速器，将起升、变幅两套机构合二为一，通过差动齿轮传动的补偿轮系，实 现在变幅的同时，起升卷筒自动根据需要使货物沿水平线或近似于水平线运动。 本文建立了单臂架门座起重机吊重水平位移补偿的数学模型，包括差动减 速器内部行星轮系的布置型式、吊重水平位移的计算模型及相关计算公式。分 析了行星差动减速器在起重机起升、变幅机构不同工况下实现的臂架和吊重的 运动情况。推导了差动减速器中联接起升、变幅卷筒的行星轮系外齿圈之间齿 数计算关系式。结合本课题研究的差动减速器，重点介绍了2 k _ h ( n g w ) 型 行星齿轮传动的齿数选配的条件和方法，以m q l 6 2 5 为例，对差动减速器进行 具体的配齿计算，详细介绍了计算步骤。 本文利用v b 平台编写了“吊重水平位移差动减速器补偿设计系统”软件。 包括吊重水平位移补偿计算和行星差动轮系配齿两部分，作为设计人员对差动 减速器进行齿数选配时的参考。 关键词：单臂架门机，变幅机构，行星差动减速器，水平位移补偿，传动比 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hb o o m i n gd e v e l o p m e n to fi m p o r ta n de x p o r tt r a d eo fp o r t ，t h ed i r e c t i o no f p o r th a n d l i n gc r a n e si sl a r g es c a l e ，h i g hs p e e d ，l i g h tw e i g h t ，h i g he f f i c i e n c y , a n d e n e r g yc o n s e r v a t i o n i no r d e rt oa d a p tt ot h i sd e v e l o p m e n td i r e c t i o n ，as e r i e so f t e c h n i c a li n n o v a t i o n sa r eu s e do np o r tm a c h i n e r y t h ea p p l i c a t i o no fm e c h a n i c a l d i f f e r e n t i a ld e c e l e r a t o ro nb r i d g et y p e 黟a ：bs h i pu n l o a d e rc a nr e a l i z et h ec o m b i n e d m o v e r n e n t so fl i l t i n gm e c h a n i s m ， s w i t c h i n gm e c h a n i s ma n dt r o l l e yt r a v e l i n g m e c h a n i s m t h i sd e c e l e r a t o rc a nl a r g e l ys i m p l i f ya c t u a t i n gd e v i c e ，g e tc r a m p e d c o n s t r u c t i o n , r e l i e v et h es e l fw e i g h to fc o m p l e t ea p p l i a n c e ，a n di nl i n ew i t ht h e f u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n d so fp o r tc r a n e s i n s p i r e db yt h ea p p l i c a t i o n ，t h i st h e s i s a p p l i e st h ep l a n e td i f f e r e n t i a lt e c h n i q u eo nl i f t i n gm e c h a n i s ma n dl u f f i n gm e c h a n i s m o f s i n g l e b o o mp o r t a l c r a n e t h ed i f f e r e n t i a ld e c e l e r a t o rc a nr e a l i z et h e h o r i z o n t a l - m o t i o no fh o i s t i n gd u r i n gt h el u f f i n gp r o c e s so fc r a n e t h i sa l s oc a n r e d u c et h ep o w e rl o s so fd r i v i n gm e c h a n i s ma n dt h es e l fw e i g h to fc o m p l e t e a p p l i a n c e t h i st h e s i st a k e sl a r g es i n g l e - b o o mp o r t a lc r a n ea st h er e s e a r c ho b j e c t a c c o r d i n gt op l a n e td i f f e r e n t i a lp r i n c i p l e ，t h et h e s i su s e sa d i f f e r e n t i a ld e c e l e r a t o rt o c o m b i n et h el i f t i n gm e c h a n i s ma n dt h es w i t c h i n gm e c h a n i s ma so n e i tu s e st h e d i f f e r e n t i a lc o m p e n s a t i o ng e a rt r a i nt or e a l i z et h em o t i o np a t ho fc a r g oi sa l o n g h o r i z o n t a ll i n eo ra p p r o x i m a t e l yh o r i z o n t a ll i n eb yl i f t i n gd r u m t h i st h e s i sb u i l d sm o d e la b o u th o r i z o n t a lm o v e m e n tc o m p e n s a t i o no fh o i s t i n g o fs i n g l e - b o o mp o r t a lc r a n e t h i sm o d e li n c l u d et h ea r r a n g e m e n tp a t t e r no fp l a n e t a r y g e a rt r a i ni nd i f f e r e n t i a ld e c e l e r a t o r , c o m p u t a t i o nm o d e la n dc a l c u l a t i o nf o r m u l ao f h o r i z o n t a lm o v e m e n to fh o i s t i n g i ta l s oa n a l y z e st h em o t i o n so fc r a n ej i ba n d h o i s t i n gw h i c ha r er e a l i z e db yt h ep l a n e t a r yd i f f e r e n t i a ld e c e l e r a t o rd u r i n gd i f f e r e n t w o r k i n gc o n d i t i o n so fl i f t i n ga n dl u f f i n gm e c h a n i s m t h ep a p e rd e d u c e s t h e r e l a t i o n s h i po ft h en u m b e ro ft e e t ho f e x t e r n a lr i n gg e a r sw h i c hd i f f e r e n t l yc o n n e c t e d t ol i f t i n gd r u ma n dl u f f i n gd r u m t h e s eg e a r sa r ei m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h e p l a n e t a r yg e a rt r a i no fd i f f e r e n t i a ld e c e l e r a t o r c o m b i n e dw i t l lt h ed i f f e r e n t i a l d e c e l e r a t o r , t h et h e s i sm a i n l yi n t r o d u c e s2 k _ h ( n g w ) t y p eg e a rt r a i n t h ec o n t e n t l i i n c l u d e st h ec o n d i t i o n sa n dm e t h o d so ft h en u m b e ro fg e a r t e e t hm a t c h i n g1 1 1 p l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o n t a k i n gm q l 6 2 5a se x a m p l e ，t h et h e s i sc a l c u l a t e st h e m a t c h i n go ft h en u m b e ro fg e a rt e e t h ，a n di n t r o d u c e st h ec o m p u t a t i o n a lp r o c e d u r e t h et h e s i su s e sv bs o r w a r et oc o m p i l e “h o r i z o n t a lm o v e m e n tc o m p e n s a t i o no f h o i s t i n gb yd i f f e r e n t i a ld e c e l e r a t o rd e s i g ns y s t e m ”t h i si n c l u d e st h e c a l c u l a t i o n 可b o u th o r i z o n t a lm o v e m e n tc o m p e n s a t i o no fh o i s t i n ga n d t h em a t c h i n go fp l a n e t a r y d i f f e r e n t i a lg e a rt r a i n t h i sc a nb es e r v e da sr e f e r e n c et od e s i g n e rw h o m a t c h e st h e n u m b e ro fg e a rt e e t ho fd i f f e r e n t i a ld e c e l e r a t o r k e yw o r d s ：s i n g l e - b o o mp o r t a lc r a n e ，l u f f i n gm e c h a n i s m ，p l a n e t a r yd i f f e r e n t i a l d e c e l e r a t o r , h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tc o m p e n s a t i o n ，t r a n s m i s s i o nr a t i o i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 期：垫殳：查：呈呈 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：糟导师c 笋日期一膨乙 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 2 0 世纪7 0 年代后期，中国实行改革开放，逐渐成为全球经济最有活力的地 区，中国进出口贸易的发展促进海运需求迅速增长，世界各地的港口出现一片繁 荣的景象，集装箱船舶开始向大型化发展。随着海运船舶大型化的蓬勃发展和技 术进步，港口起重机械也在不断的适应港口装卸的需求，相应的技术革新如雨后 春笋般层出不穷。 起重机的装卸性能和效率直接决定了港口作业的生产率，高生产率和高性能 的起重机是港口现代化的重要标志，目前起重机主要发展趋势为： ( 1 ) 大型高速化 港口高效率装卸的要求和运输船舶逐渐大型化的发展趋势，促使港口装卸起 重机械开始向着大型高速化的方向发展。不仅要求其操作和维护方便，而且要有 高度的安全可靠性和低能耗的功能【l 】。目前世界上最大的桥式起重机起重量为 1 2 0 0 t ，集装箱岸边装卸桥小车的最大运行速度已达3 5 0 m m i n 。 ( 2 ) 自重轻型化 起重机的大型化发展趋势，使得起重机的自重和结构随之增加，对于一些老 1 日的码头，减轻起重机的自重，从而减小码头的承载压力，是非常必要的。 在机构方面，新型传动零部件的开发使得机构不断得到简化。目前已将电动 机、减速器、制动器组合在一起应用到起重机的大车运行机构上，使传动装置结 构紧凑，减轻了整机的自重 2 1 。在结构方面，采用各种新材料，改善受力条件， 提高承载能力，可减轻起重机的自重。 ( 3 ) 自动智能化 计算机技术已广泛应用于港口起重机械，主要运用在驱动机构和控制系统中， 实现了智能自动化。目前，智能化检测和机械系统的故障显示等技术已在港口机 械中得到普及和完善，很大程度上提高了港口码头装卸效率【1 1 。 桥式抓斗卸船机是港口码头上常用的装卸机械，具有许多突出的优点，例如 对物料和船型的适应性强、运行可靠、造价较低、抓斗作业时可采用自动控制【3 】。 目前，机械差动式的四卷筒牵引小车式传动装置在国内港口码头的桥式抓斗卸船 武汉理r t 大学硕十学位论文 机上得到了广泛的应用，大大提高了工作效率。其核心部分是两台行星差动减速 器，卸船机的起升机构、开闭机构与小车行走机构通过此差动减速器组合成一套 装置，两台减速器输出端联接四个卷筒，卷简带动钢丝绳的收放来实现相应的作 业【5 】。抓斗的起升和开闭以及小车的行走等所有动作及其组合作业都可以通过两 台行星减速器的内外齿圈的差动运动来实现。 港口装卸常用的单臂架起重机很多时候需要带载变幅，而所载物品( 即吊重) 在变幅过程中沿垂直高度方向的升降会引起较大的重力势能的变化，若不采取升 降补偿措施，会导致变幅所需的驱动功率大大增加，不符合低能耗的发展趋势。 因此，一般在设计起重机时需考虑对变幅过程的吊重位移进行升降补偿，使吊重 在变幅时沿近乎水平线轨迹移动，可改善整机性能，减小起重机自重。目前，常 用的方法是采用四连杆起重臂系统和补偿滑轮组系统。前者的起重臂系统复杂、 重量重，后者增加了较多的滑轮组和钢丝绳的缠绕系统，因此，研究一种新型的 能满足起重机作业过程中吊重轨迹实现水平移动的方案具有现实意义。 桥式抓斗卸船机和单臂架起重机均是散货码头中常用的装卸机械，桥式抓斗 卸船机采用行星差动减速器可实现起升、开闭、小车行走运动组合，受此运用的 启发，本文研究将差动减速器运用到臂架起重机的变幅和起升机构中，实现变幅 和起升运动的分别和联合作业，通过起升钢丝绳在变幅作业过程中的适当收放， 对变幅运动造成的吊重高度偏差做出相应的补偿，减少货物的重力势能造成的功 率损耗。 1 2 与课题研究相关的国内外动态 1 2 1 行星差动传动的发展动态 1 8 8 0 年，首个行星齿轮传动装置的专利在德国出现。1 9 世纪以来，机械工业 的发展对行星齿轮传动产生了很大影响，尤其在汽车和飞机工业领域，更是发展 迅速。1 9 2 0 年，首次成功地制造出行星差动传动装置，并首先用作汽车的差速器。 第二次世界大战之后，高速大功率船舰、透平发电机组、透平压缩机组、航空发 动机及工程机械的发展，促进了行星齿轮传动的快速发展。1 9 5 1 年，高速大功率 行星齿轮传动的实际应用在德国获得成功【6 】。低速重载行星减速器已由系列产品 发展到生产特殊用途产品，例如法国c i t r o e n 生产用于水泥磨、榨糖机、矿山设备 的行星减速器，重量达1 2 5 t ，输出转矩t = 3 9 0 0 k n m 。 2 武汉理丁大学硕十学位论文 我国的行星齿轮传动技术的开发应用始于2 0 世纪5 0 年代，但在很长的一段 时间里，各类行星齿轮的总体设计制造水平较低，许多高性能行星齿轮箱需采用 进口产品。改革开放之后，国外先进的行星齿轮设备和技术的引进交流促进了国 内的行星齿轮传动技术发展。 经过改革开放三十年的发展，我国目前已经全面掌握了行星传动的设计、制 造技术，而且形成了一批具有较强实力的研发和制造机构。近年来，利用行星差 动传动技术开发了很多新产品，在许多行业中发挥着重要作用，常见的应用有： ( 1 ) 利用行星差动的调速功能，对工作机的输出转速进行调节，以实现相应 的工艺要求，降低运行能耗。例如：最常见的是用于汽车后桥的差速器，还可用 于连轧机、风机及磨机等。 ( 2 ) 行星可控起动传动装置，通过控制差动机构中某个基本构件的转速变化， 实现输出级的平稳起动，可大大减缓起动冲击。例如：带式输送机的驱动系统。 行星可控起动传动装置可实现平稳起动，有效延长皮带寿命，消除断带现象，对 于长距离带式输送机尤其适用。 ( 3 ) 利用行星差动轮系的合成运动，将变速器应用于起重机、卸船机的抓斗 升降运动，可实现正常运行和不同工况下的要求。 ( 4 ) 利用行星差动技术开发出的高速差速器可应用于卧式螺旋卸料沉降离心 机，其工作原理是外转鼓和内鼓都做高速同旋转，同时两转动体又有相对差速， 从而实现固、液态物料的分离作业。 行星差动技术在港口起重机械中最典型的应用是卸船机上的四卷筒机构行星 差动装置，最早是由法国c a i u a r dl e v a g e 公司应用的。其结构型式为：起升电机、 开闭电机与小车行走电机通过两台特殊设计的行星减速器组合装配，用来驱动4 只卷筒。同侧的两只卷筒分别绕出两根钢丝绳，通过桥架头部和尾部的改向滑轮 再绕向抓斗小车，然后通过抓斗小车上的改向滑轮固定在抓斗上 7 1 。 抓斗起升、开闭、小车行走等所有运动都通过两台行星减速器内圈、外圈的 差动实现各种组合。 这种四卷筒牵引方式，其核心技术是行星差动减速器，具有突出的优点：小 车自重轻，绳索卷绕系统简单，钢丝绳寿命长且更换方便，简化了传动装置，减 轻重量，对大梁的作用力减小。 武汉理j _ 大学硕_ 学位论文 图1 - 1 卸船机的主起升机构的行星差动减速器 双4 0 箱岸桥是上海振华港口机械股份有限公司( z p m c ) 为适应船舶大型化 要求快装快卸而最新开发的产品，开发了专用的差动型起升齿轮减速箱，而不是 将两套起升机构简单的合并。这个减速箱可以实现功率的分解和叠加，即它既可 以将两个电机的输出功率分配给两个吊具，又可以叠加在一起只供给一个吊具。 图1 - 2 双4 0 箱岸桥主起升机构的布置图 122 起重机吊重水平位移补偿的发展动态 起重机幅度改变的方式通常分为小车式和俯仰臂架式两种，小车式变幅装置 是通过起重小车在水平臂架上的移动来改变起重机的幅度，不存在变幅机构引起 吊重水平位移差的问题。俯仰臂架式变幅装置是通过驱动机构带动臂架绕其下端 铰轴进行俯伸运动来改变起重机的幅度口i 。港口装卸设备中的门座起重机、浮吊 以及轮胎吊等机型，均采用这种变幅型式。 武汉理工大学硕士学位论文 变幅系统是港口门座起重机的重要组成部分。一般而言，变幅系统决定门机 的基本型式，按照吊重水平移动形式的不同，可将港口门座起重机的变幅机构分 为组合臂架型和绳索补偿型。 组合臂架型变幅系统的基本型式是四连杆箱形焊接结构的组合臂架，使象鼻 梁端点走水平位移，采用活配重平衡组合臂架的自重，齿条式或多头螺杆式的变 幅驱动装置【8 】，一般称为四连杆式门座起重机。 采用绳索补偿型的一般为单臂架型门座起重机。绳索补偿型的原理为：依靠 起升钢丝绳系统及时放出或收进一定长度的起升钢丝绳来补偿在变幅过程中引起 的物品升降，来保证货物在变幅过程中沿水平线或接近水平线的轨迹移动。此机 型结构简单，维修方便，经济成本小，因而在各类港口码头上得到了广泛应用。 目前四种常用的起重机绳索补偿方案： ( 1 ) 补偿滑轮组放在臂端。是目前港口常用方案。 优点：臂架所受弯矩小、截面小、臂架较轻，倾覆力矩也小，整机重量及变 幅功率也较小。 缺点：起升绳绕路径长，通过的滑轮多，阻力大，加速了钢丝绳的磨损。货 物水平偏摆角度大，变幅水平性较差，对于臂架受力和抗后倾不利【9 】。 ( 2 ) 补偿滑轮组放在臂架中部。 优点：起重臂有良好的抗后倾性，可获得较小的最小幅度。 缺点：由于两滑轮点之间的距离缩短，在作业循环中某一段钢丝绳要通过的 滑轮数目增加，钢丝绳磨损更快，整机较庞大【9 】。 ( 3 ) 平衡滑轮补偿法 优点：起升绳的长度和磨损减小，摆动杠杆可兼作对重杆，不用考虑臂架的 抗后倾性。 缺点：自重大并难于获得较小的最小幅度，结构较为复杂，在制造、安装上 要求较高。 ( 4 ) 卷筒补偿法 优点：不用考虑抗后倾性，货物变幅水平性相当好，变幅和起升两机构零件 通用性好，造价更低，具备很好的发展前景。 缺点：由于本身的设计特点无法用双绳抓斗，起升卷筒一般为单个的单联卷 筒，需用专门吊钩装置或不旋转钢丝绳【9 】。 行星差动减速器在桥式抓斗卸船机上的成功运用，开拓了用差动减速器解决 单臂架门座起重机吊重水平位移补偿问题的新思路。 5 武汉理t 大学硕士学位论文 1 3 课题研究的内容 本课题利用行星差动原理，通过一套差动减速器，将起升机构和变幅机构结 合，以达到理想的水平变幅。简化了起重机的机构，减少了起重机的自重，改善 了起重机性能，也减小了变幅电机的功率。 以大型单臂架起重机为研究对象，运用一套差动减速器，将起升、变幅两套 机构组合在一起，通过差动齿轮传动的起升部分的轮系实时补偿，实现在变幅的 同时，起升卷筒自动使货物沿水平线或近似于水平线运动。 具体的研究内容： ( 1 ) 根据门座起重机的初始设计参数，建立吊重水平位移补偿的数学计算模 型。 ( 2 ) 在相同幅度区间和相同时间段内，起升卷筒和变幅卷筒的钢丝绳收放量 之间的比值关系是关键参数，将此参数与起重机起升和变幅速度以及差动减速器 配齿条件结合，计算得出差动减速器的合理齿数配置。 ( 3 ) 利用v b 平台，编制多窗口界面计算程序，此程序可实现输入门机已知 设计参数，得到相应差动减速器的配齿结果。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章行星齿轮传动 2 1 行星轮系的组成及分类 轮系是目前世界上应用最广泛的机械传动形式之一，它的工作原理是通过一 系列互相啮合的齿轮将主动轴的运动传到从动轴上，实现运动的传递。 2 1 1 周转轮系的组成 在传动时，轮系中有一个或一个以上的齿轮轴线绕着位置固定的几何轴线回 转。这种轮系称为动轴线轮系，也可称作周转轮系。周转轮系的主要构成如下t ( 1 ) 行星轮在周转轮系中，像行星一样作自转和公转运动的齿轮，称为 行星齿轮，一般用符号g 表示。 ( 2 ) 中心轮与行星轮相啮合，轴线与主轴线相重合的齿轮，称为中心轮， 外齿中心轮用符号a 表示，内齿中心轮用符号b 表示，一般将最小的外齿中心轮 a 称为太阳轮，而将固定不动的中心轮b 称为内齿刚1 0 1 。 ( 3 ) 转臂用来支承行星轮并使之公转的构件称为转臂，也称为系杆或行 星架，用符号h 表示。 2 1 2 周转轮系的分类 按平面机构自由度的数目，可将周转轮系分为行星齿轮轮系和行星差动轮系 两种。在工程实践中，一般将这两种轮系统称为行星齿轮传动。各自的定义简单 介绍如下： ( 1 ) 行星齿轮轮系 平面机构的自由度数等于1 的周转轮系，称为行星齿轮轮系。在实际工程运 用中，动力只需从一个基本构件输入，整个轮系便会有确定的运动。 ( 2 ) 行星差动轮系 平面机构的自由度数等于2 的周转轮系，称为行星差动轮系。在工程运用中， 动力需要从两个基本构件分别同时输入，才能确定轮系的运动。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 行星齿轮传动的命名及类型 我国前苏联学者库德略夫采夫提出按行星齿轮传动基本构件不同来对其进行 分类。该分类方法在我国具有较大影响，已被齿轮界普遍采用。行星齿轮轮系的 基本构件代号为：k 代表中心轮，包括太阳轮和内齿圈，h 代表行星架，有时称 为转臂或系杆，v 代表输出轴。行星齿轮传动一般都是根据其组成的基本构件来 命名，可分为2 k _ h 、3 k 和k m 三种基本类型【1 1 】。其他结构形式的行星齿 轮传动大都是从基本类型演化或组合而成。 按传动机构中齿轮的啮合方式进行分类，上述三大基本类型可再细分为许多 传动形式，如n g w 、n w 、n n 、w w 、n g w n 和z u w g w 型等【1 1 1 。其中字母 含义为：n 代表内啮合，w 代表外啮合，g 代表内外啮合公用行星齿轮，z u 代 表锥齿轮。 2 2 12 k 刊型行星齿轮分类 根据上述行星齿轮传动的命名方式，可知2 k h 型行星轮系拥有两个中心轮 ( 2 k ) 、一个转臂( h ) 。若转臂h 固定，中心轮a 和b 的转向相同，这时的传动 比规定为正号，称为正号机构。同理，转臂h 固定时，若中心轮a 和b 的转向相 反，称为负号机构，传动比为负值。 2 k - h 行星齿轮传动可分为如下几种形式： ( 1 ) n g w 型该类型由一个太阳轮、一个内齿圈和一个公用行星轮组成， 如图2 - 1 所示。此类型行星齿轮的结构简单，轴向尺寸小，是动力传动中应用最 多、传递功率最大的一种。 图2 1n g w 型图2 - 2n w 型图2 - 3w w 型 a b 图2 4n n 型 ( 2 ) n w 型该类型由一个太阳轮、一个内齿圈和两个行星轮组成，如图 2 2 所示。行星轮为同轴布置，形成一对内啮合和一对外啮合，没有公用的齿轮。 武汉理： 火学硕士学位论文 ( 3 ) w w 型该类型由两个太阳轮和两个行星轮组成，行星轮也为同轴布置， 形成两对外啮合，如图2 3 所示。多用于传递运动，较少用于传递动力。 ( 4 ) n n 型该类型由两个内齿圈和两个行星轮组成，行星轮为同轴布置， 形成两对内啮合，如图2 4 所示。一般用于小功率、短时、间断工作制的传动装 置。 2 2 22 k 刊( n g w ) 型行星齿轮传动形式 表2 - 12 k h ( n g w ) 型行星传动形式 传 行星架输出为减速行星架输入为增速行星架固定为倒转 动 形 太阳轮输内齿圈输太阳轮输内齿圈输太阳轮输内齿圈输 入为大减入为大减出为大增出为小减 入为减速入为增速 式 j 纥幺幺 , , v t t t s f t i 传 d 一 卜 i - q卜_ i 动 g h i 厂 爿叫 l i l 简 l 一 一l l iil ill j i li 图 l 一纩 一 传 厶= 1 + p 二。一1 + p 幺：；1 一一pz l - 口6 h = 一p - h ：1l b h 。 1 + pr , , l + p = 乙 p 动 ：1 + 互 ：1 + z a z 口 一 乙 乞 = 一； 比 乞z 口 z 6z 4 + z b z 口+ z b ：匿卜一表示固定构件：p = z a 历( z 为齿数) l 图囫卜表示从动构件 k l 汴l 一表示主动构件 1 l 表2 1 传动简图中所示的行星齿轮传动是由两个中心轮，包括太阳轮、内齿 圈( 用2 k 表示) 和行星架( 用h 表示) 等三个基本构件组成，因而称为2 k h 型行星齿轮传动。按齿轮啮合方式分，表2 1 所示行星齿轮传动称为n g w 型。 2 k - h ( n g w ) 型行星齿轮传动，由于有三个基本构件，只需任意固定其中 一个，就可以得到多种传动方式。如表2 1 所示，当行星架作为输出构件时，单 级2 k h n g w 型行星齿轮单元是减速装置，动力由太阳轮输入时减速效果明显， 由内齿圈输入时减速的效果不明显；当行星架作为输入构件时，单级2 k h n g w 9 武汉理t 火学硕士学位论文 型行星齿轮单元是增速装置，动力通过太阳轮输出时增速效果明显，而由内齿圈 输出时效果不明显；当行星架固定时，单级2 k h - - n g w 型行星齿轮单元倒档， 动力从太阳轮输入，从内齿圈输出为减速，而由内齿圈输入，由太阳轮输出为增 速。在一般的行星减速器中，应用最多的是内齿圈固定，动力由太阳轮输入，从 行星架输出的传动装置。 当三个基本构件均不固定，即机构的自由度为2 ，此时得到行星差动传动， 其主要特点是三个基本构件都可以转动。一般情况下，两个中心轮分别由两台电 动机驱动，即两个输入的动力是互相独立不干扰的，当两台电动机以不同的组合 操作时，行星架可以得到以下四种转速：内齿圈固定、动力从太阳轮输入；太阳 轮固定、动力由内齿圈输入；太阳轮与内齿圈同向驱动；太阳轮与内齿圈反向驱 动。这就是差动减速器满足不同工况组合下转速要求的原理。 2 3 行星齿轮传动的应用 行星齿轮传动与普通齿轮传动相比较，具有许多独特的特点： ( 1 ) 可实现功率分流 行星齿轮的结构型式为相同的几个行星齿轮均匀地分布在中心轮周围，可以 共同分担载荷，即实现功率分流，同时使每个齿轮所受载荷较小，相应齿轮模数 也较小【1 2 1 。如图2 1 所示： 图2 1 多个行星轮实现均载 在均载情况下，随着行星轮的增加，其外形尺寸随之减少。如图2 2 所示， 图中n p 为行星轮个数。 1 0 武汉理t 大学硕十学位论文 审玲 定轴传动 n p = 1 n p = zn p = 3 图2 2 行星轮个数 ( 2 ) 可实现结构紧凑且重量较小的大功率传动 行星轮系中内啮合型式的承载能力高并且节省空间容积，各中心轮的输入输 出轴共轴线，这种特殊的传动型式缩小了径向和轴向尺寸，从而使其结构紧凑 1 3 1 。 涡轮螺旋桨发动机主减速器便是典型的应用实例。原理图如图2 3 所示。 中。 图2 3 涡轮螺旋桨发动机主减速器原理图 ( 3 ) 可实现输入运动的合成 即两个输入运动，一个输出运动，广泛用于机床、计算装置、补偿调整装置 图2 - 4 所示行星轮系的计算传动比为： = 一乏 = 一t 加法机构的转速： = 圭( ，l l + 惕) 减法机构的转速： ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 ，l l 2 2 n 一n 3 z 、 c 叫 l 珏 幺幽 j ( 2 3 ) 图2 4 行星轮系运动合成 ( 4 ) 可实现输入运动的分解 即一个输入运动，两个输出运动，典型应用是汽车后桥的差速器。如图2 5 所示。 图2 5 汽车后桥减速器示意图 图2 4 所示行星轮系的计算传动比为： 不：盟：一刍：一1 ( 2 4 ) “ 玛一z l 计算转速为： 1 2 r 4 = 去( ，l l + ) ( 2 5 ) 二 除了上述的特点外，行星齿轮传动还具有运动平稳、抗冲击、传动效率高、 传动比大等优点，几乎可适用于一切功率和转速范围，故目前行星传动技术已成 为世界各国机械传动发展的重点之一。 但是行星齿轮传动的结构形式比定轴轮系复杂，因此对制造工艺要求较高， 而且由于结构紧凑，散热面积小，在工作过程中容易导致油温升高，故而需要有 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 严格的润滑和冷却装置。 随着国内技术人员对行星传动技术不断深入的了解掌握以及对国外行星传动 技术的引进和消化吸收，其均载方式和传动结构都得到了不断完善，生产工艺水 平也不断提高。因此，行星齿轮的制造安装问题不再是难以逾越的难题。 2 4 行星齿轮传动的发展方向 世界各先进工业国在行星齿轮传动设计上已经日趋完善，我国与世界先进水 平虽存在明显差距，但随着消化吸收从国外引进的先进设备和技术，也取得了很 大的进步。目前行星齿轮传动正向以下几个方向发展： ( 1 ) 高转速、大功率和低速大转矩 行星齿轮传动机构在高速传动中，如在高速汽轮中已获得广泛的应用，其传 动功率也越来越大。但还需继续解决均载平衡、密封润滑、零件材料与热处理， 以及高效、耐用、可靠等一系列设计制造问题。 ( 2 ) 多样化 随着行星齿轮技术的不断进步，行星齿轮开始向无级变速行星齿轮传动、复 合式行星齿轮传动、少齿差行星齿轮传动等方向发展，满足不同工程领域内的需 要。 ( 3 ) 硬齿面、高精度 行星传动机构中的齿轮开始广泛采用新型优质钢材，经热处理获得高硬齿 面，其中内齿轮采用离子渗氮，外齿轮采用渗碳淬火。采用硬齿面、高精度有利 于进一步提高承载能力，减小齿轮尺寸，提高可靠性和耐用性。 2 5 行星差动传动 行星差动传动是2 k - h 型行星齿轮传动的一种特殊应用形式。近些年来，利 用行星差动传动技术开发了许多新产品，在很多行业中发挥着重要作用。 1 3 武汉理t 大学硕十学位论文 图2 7 差动轮系和行星轮系 图2 7 中左边的轮系，内齿圈3 未固定，其自由度为互= 3 x 4 - 2 x 4 - 2 = 2 ， 是差动轮系；右边的轮系，内齿圈3 固定，其自由度为e = 3 x 3 - 2 x 3 - 2 = 1 ，是 一般的行星轮系。 2 5 1 行星差动传动工作原理 行星差动传动是采用2 k - h 型轮系两个自由度间的不同形式的组合，来实现 运动或动力的分解、控制及调整。行星差动传动主要用于运动的合成与分解。当 其中的一个基本构件作为主动件输入功率时，另外两个基本构件作为从动件输出 功率，实现输入功率和输入运动的分解，此时的行星轮系也可称作差速器。当两 个基本构件作为为主动件输入功率时，另外一个基本构件作为从动件输出功率， 可实现输入功率和两个输入运动的合成，此时的行星轮系称作变速器。 行星差动传动目前已经广泛地应用于冶金矿山机械、化工机械、起重运输机 械、轻工机械等各个工程领域。应用行星差速器进行差速和差动调速，在一定条 件下，比采用交、直流电动机或液压传动具有如下优点： ( 1 ) 机械设备简单； ( 2 ) 调速电机的功率及相应控制电气装置显著减小； ( 3 ) 差速效果好，调速精度高，运行平稳； ( 4 ) 设备投资少，运行费用低，经济效益好。 2 5 2 行星差动轮系的转速计算 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 行星差动轮系在工程实践中最主要的应用是实现运动的合成和分解。本节结 合研究内容，推导用于行星差动轮系合成运动时的转速计算公式。 设周转轮系的三个基本构件分别为a 、b 、c ，其转速分别为、刀c ， 基本构件a 固定，根据相对运动原理，可得 毪= 翌丑 一 或 疗c = n b 乞+ ，l 爿( 1 - i a ) 由普遍关系式知 1 一匕= 艺 可将上式化为： = 毪+ 乞 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 同理，分别按件b 、c 固定，可得到关于及的表达式。将这三个表达式 用三个基本构件为a 、b 、h 的2 l 卜h 型轮系表示 i i a = 毪+ 厶 ( 2 1 0 a ) b = n h 磊+ ( 2 一l o b ) = 彘+ n b i 危 ( 2 - l o c ) 式( 2 1 0 ) 中的三个公式是根据行星差动轮系两个主动构件的转速求从动件 转速的普遍关系式。其等号左边为从动构件的转速，右边两项分别为一个主动构 件旋转与另一主动构件固定时，从动构件对主动构件传动比的乘积。 主动构件的转速与轮系中固定构件的确定无关，公式( 2 1 0 a ) 等号右边第一 项可化简为 艺= 衫芳= 衫 ( 2 - 第二项可化简为 啊l a 6 n - n h 6 蔫= 磋 ( 2 _ 1 2 ) 则式( 2 1 0 a ) 可化简为 1 5 武汉理工人学硕士学位论文 n a = 衫+ n ： ( 2 1 3 ) 因此，式( 2 1 0 a ) ( 2 1 0 b ) ( 2 1 0 c ) 可简化为 = 杉+ 以： ( 2 - 1 4 a ) = a + 杉 ( 2 - 1 4 b ) ，z 何= b + 刀a ( 2 - 1 4 e ) 从式( 2 1 4 a ) ( 2 1 4 b ) ( 2 1 4 c ) 可得出以下结论： 行星差动轮系合成运动时，从动构件的转速由两个主动构件分别固定时，从 动构件转速的代数和确定。 2 5 3 行星差动传动典型应用的实例 ( 1 ) 行星差动传动技术已广泛应用于起重机、卸船机的抓斗的升降和开闭运动， 以实现正常运行及升行程时快速运动的要求。目前，国内在大型卸船机上广泛采 用四卷筒机构行星差动减速器。 ( 2 ) 行星差动传动的调速功能运用于连轧机、风机、泵及磨机等工程机械中， 通过对工作机输出转速的调节来实现相应的工艺要求，或者调整其输出的流体流 量及压力等，可降低运行能耗，减少资源浪判1 4 】。 ( 3 ) 利用行星差动传动研制的可控起动传动装置，通过控制差动机构中某一自 由度的转速变化，实现输出级的平稳起动，可大大减缓起动冲击【1 4 1 。目前在长距 离带式输送机上已得到广泛应用，并可实现多点驱动且自动实现载荷均衡。 ( 4 ) 利用行星差动传动技术开发的高速差速器，已应用于卧式螺旋卸料离心分 离机，可实现固、液物料的分离作业。 我国从2 0 世纪6 0 年代开始研制应用行星齿轮减速器，之后制定了n g w 型 渐开线行星齿轮减速器标准系列，一些专业定点的厂家已成批生产了n g w 型标 准系列产品，使用效果很好。现已研制成功高速大功率的多种行星齿轮减速器， 低速大转矩的行星减速器也已批量生产。 总体而言，近年来我国在各类行星传动产品的开发与应用方面都取得了较大 进展。 2 6 本章小结 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 行星差动技术是行星差动减速器的核心内容，本章主要介绍了行星轮系的一 些基本概念和运用，包括行星轮系的组成及分类，行星齿轮传动的命名及类型， 行星齿轮传动的应用及发展方向，以及行星差动传动的工作原理、转速计算及典 型应用等。 1 7 武汉理工人学硕士学位论文 第3 章单臂架吊重水平位移补偿的数学模型 3 1 单臂架吊重水平位移补偿型式 门机变幅机构按吊重水平移动形式的不同可以归纳为绳索补偿型和组合臂架 型。绳索补偿的原理为：在臂架摆动变幅过程中依靠起升绳系统及时放出或收进 一定长度的钢丝绳来补偿臂架头部的升降，使物品在变幅过程中沿水平线或接近 水平线的轨迹移动。采用绳索补偿型的单臂架式起重机结构简单，使用、维修方 便，投资少，因而广泛应用于港口码头。 目前有四种常用的起重机绳索补偿方案： 方案一：补偿滑轮组放在臂架端部 滑轮组放在臂端使物品水平变幅。即在变幅过程中，通过补偿滑轮组长度的 变化来收进或放出起升绳，以补偿由于臂架摆动而引起的物品升降。是目前港口 常用方案。 方案二：补偿滑轮组放在臂架中部 与方案一的工作原理基本相同，不同之处仅在于将补偿滑轮组放在了臂架中 部。 方案三：平衡滑轮补偿法 利用补偿滑轮使物品水平变幅。在变幅过程中，通过补偿滑轮位置的变化， 使臂架顶部到卷筒之间的钢丝绳长度发生相应的变化，来调整货物升降高度，从 而实现钢丝绳补偿。此方案由于采用了杠杆平衡系统来平衡臂架重心的升降并且 是刚性变幅驱动，允许变幅力为负值，故其变幅功率最小【l5 1 。 方案四：卷筒补偿法 在变幅过程中，变幅卷筒( 或补偿卷筒) 放出或收进一定长度的起升绳，以补 偿由于臂架摆动而引起的物品升降。将起升绳的一端以相反方向绕入变幅卷筒， 变幅卷筒动作实现变幅时，可同时实现起升绳的收进和放出，起到补偿的作用， 达到使物品在变幅过程中沿水平线轨迹运行的目的【l5 1 ，具备很好的发展前景。 2 差动减速器的工作原理 武汉理一i ：人学硕七学位论文 差动减速器由于采用行星机构，结构紧凑、传动比大、传动效率高，这些优 点使其在工程机械的各个领域得到了广泛的应用。早在2 0 年前就被国外的起重机 制造商成功的运用在装卸散货的抓斗起重机上【l4 1 。在我国，上海振华港口