日立23t门机立式行星回转减速器的研制

1、目录目录11.1 论文研究背景及意义31.2 门机旋转结构及特点简介41.3 国内外研究现状51.4 论文研究主要内容与结构8第二章 门机旋转机构减速装置改造方案102.1门机旋转减速机构故障分析102.2门机旋转机构减速装置改造方案152.2.1 减速装置主要形式简介152.2.2 本文减速装置改造方案设计182.3 本章小结20第三章立式行星减速器设计与制造213.1齿轮传动设计计算213.2 电机的选择233.3 制动装置设计233.4 主要零件设计243.5本章小结26第四章 基于有限元法的立式行星减速器分析与优化274.1引言274.2 基于有限元法的箱体应力分析294.2.1 有限

2、元模型294.2.2 边界条件及载荷施加304.3 箱体模态分析324.3.1 模态提取方法324.3.2 求解分析334.4 结论355.1 研究成果使用中特点375.2 工程效益分析375.3 本章小结39第六章 总结与展望406.1 论文工作的总结406.2 论文工作的展望40发表论文和参加科研情况说明43致 谢44第一章 绪论1.1 论文研究背景及意义门座式起重机（简称门机），是世界各国港口赖以生存和发展所必不可少的装卸设备，它的工作状况的好坏直接影响港口的吞吐量以及经济效益，可以说门机是港口机械中最最重要的设备，为出车完好率起到了至关重要的保障作用。天津港五公司是专门接卸散矿石和矿粉

3、的装卸公司，拥有5个专业的矿石装卸泊位。近年来，天津港五公司的吞吐量在不断提高，经济效益也在逐年增长，这不得不归功于公司对门机的科学管理和使用上。公司总共有19台门机，为了使这19台门机能够始终处于良好的运行状态，除了日常的保养和维修外，我们还经常对其不合理的结构和部位进行技术改造，使其更加适应公司的生产形势。天津港五公司西侧码头所属的2台日立23t门机，其旋转机构采用的是“锥齿-锥盘”式结构。 随着服役年限的增长， 各个系统结构存在不同程度的老化，造成旋转减速器输入级的损坏情况频繁发生。通过分析得出结论，造成减速器损坏频率过高的原因主要有以下几个方面：（1）该型门机于1984年开始服役，进口

4、零配件已不再提供。而采用国产零配件进行维修更换，在材质、热处理等方面难以与原机设计技术标准一致；（2）国产零配件的加工精度比较低，大负荷工况下加剧了零配件的磨损老化；（3）正交弧齿椎齿锥盘结构减速器，相比较行星齿轮传动形式，有对安装误差和变形敏感、承载能力低等缺陷，加之公司的维修能力有限，更加剧齿轮的磨损。为了提高公司的国际竞争能力，本着转变思路、拓展创新理念的原则，决定在减速器的结构和布置形式上加以改进，实现延长门机工作寿命、提高工作效率的目的。天津港所属的19台门机中，这2台日立牌23吨门机是使用时间最长的，于上世纪80年代购置，其旋转减速机构采用 “锥齿-锥盘”式结构 。近年来，它的旋转

5、减速机构的故障率逐渐上升，加大了维修成本的支出。特别是在线故障频繁发生，严重影响了现场作业生产的有序进行。经公司领导和设备主管部门研讨，决定对这一问题进行立项攻关。近几十年来，计算机技术、信息技术在机械制造中的广泛应用，一些先进的齿轮生产企业已经采用精益生产、敏捷制造、智能制造等先进技术，改变了制造业的传统制造观念和生产组织方式。世界各国减速器及齿轮技术向“六高” 、“二低” 、“二化”方面发展， “六高”是高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高传动效率，“二低”是低噪声、低成本，“二化”是标准化、多样化。从目前国内、国际来看，门座式起重机普遍采用的是立式行星旋转减速器。该结构形

6、式的减速器技术已经普遍成熟应用于港机行业，在旋转机构上有体积小、重量轻、传动范围比大、效率高、工作平稳、动力分配均匀和具有自动调心功能等优势。本论文结合公司现有设备实际情况，研发一套行星高速级，来替换原有的锥齿锥盘高速级，并确定了研制方案。基于以上背景，本文将对门座式起重机旋转减速结构展开研究。1.2 门机旋转结构及特点简介 门座起重机由起升、回转、变幅和运行机构构成，其中起升、回转和变幅机构装在转动部分上,每一运动周期都参与作业。转动部分上还装有可俯仰的倾斜单臂架或组合臂架以及司机室。运行机构装在门座下部，用以调整起重机的工作位置，带斗门座起重机还装有伸缩漏斗、带式输送机等附加设备，如图1-

7、1 所示，以提高门座起重机用抓斗装卸散状物料时的生产率。除电气保护装置外，还装有起重量或起重力矩限制器、起重机夹轨器等安全装置。图1-1 门机结构外形图1.3 国内外研究现状机械传动领域中，减速器作为原动机和执行机构或工作机之间的中间装置，起着匹配转速和传递转矩的作用，其已有近几千年的历史。中国最早有史料记载的齿轮传动机构装置在汉代出现，西京杂记中“司南车，驾四，中道”1 ，即指南车，IFTOMM委员会主席，知名专家DUDLEY誉之为“古代轮齿技术里程碑式的人物” 1，这是有文字可考证的最先的齿轮减速机构，也是今天种类各异减速装置的雏形。减速装置发展至今已有几百年的历史，已经发展出种了类繁多的

8、减速装置。从其发展的程度来讲，目前已经有多种不同技术成熟的减速装置产品，如表1-1所示。表1-1 各类减速装置系统比较序号减速原理举例技术成熟度特点1一般齿比减速圆柱齿轮减速传统、成熟速比不大，体积较大摆线针减速器很成熟工艺复杂，制造精度要求高2少齿差减速三环减速器技术推广阶段噪声、冲击大二环减速器技术不成熟速比范围宽，传递功率小3三齿轮减速行星减速器技术较成熟减速零件多，径向尺寸大4谐波减速谐波减速器成熟速比范围大，工艺复杂5斜面减速螺旋作动器研究阶段不适用与全转动6活齿减速活齿减速器技术突破阶段易发热7工质变化磁触变无级变速器研究阶段振动小、噪声低，无级变速生产、制造技术已经成熟并已经形成

9、标准化产品的减速器有蜗轮减速器、摆线针轮减速器 、圆柱齿轮减速器、行星齿轮减速器和谐波减速器 等；另外，已经提出并且正在市场上推广的产品主要有：活齿减速器、二环减速器等；近年来，新研发并申请专利的新型减速器有滤波减速器 、旋转作动器 、激波减速器 和纯滚动减速器 等多款减速器。目前，国内外齿轮类产品的设计、制造技术取得了很大的进展，基本上实现了高速化、小型化、低噪声等目标，其中有三项技术的发展是特别引人瞩目的，分别是硬齿面技术、功率分支技术和模块化设计技术，这些技术的已经逐渐广范推广应用，齿轮产品的性能价格比大大提高, 产品越来越完美。在新型产业，如航天航空、医疗器械、机器人领域等领域发展的需

10、求下，人们需要研发出结构简单、紧凑、噪声低、功率大并且传动平稳的优性能减速装置。如图1.2齿轮分类所示中，从结构上把减速机分成三大类：偏心驱动类减速机、定轴传动类减速机和斜面放大类减速机。在以上分类当中，行星齿轮传动减速机构是在工业上比较常见的，图1-2 是行星式齿轮减速机构原理示意图。图1-2 齿轮分类图1-3 行星式齿轮减速机构原理示意图传统减速器中齿轮多数是定轴式减速机，支撑齿轮的传动轴绕自身轴线转动，因此这类齿轮成为“定轴齿轮”。随着技术进步，行星式减速机逐渐广泛应用，这类减速器的齿轮的支撑轴不只是绕自身轴线“自转”，还绕整体回转轴线（图1-2中的A-A线）“公转”，因像行星绕太阳公转

11、，因此称为“行星齿轮”，成为行星齿轮公转中心的那些轴线固定的齿轮被称为"太阳轮"，如1-3图中红色的齿轮。行星齿轮传动与普通定轴齿轮传动相比较，具有质量小、体积小、传动比大、承载能力强、传动平稳和传动效率高等优点，因此，被我国越来越多的机械工程技术人员重视，行星齿轮减速器在我国工程机械行业也广泛应用。由于在各种类型的行星齿轮传动中均有效的利用了功率分流性和输入、输出的同轴性以及合理的采用了内啮合，才使得其具有了上述的许多独特的优点。行星齿轮传动不仅适用于高速、大功率而且可用于低速、大转矩的机械传动装置上。它可以用作减速、增速和变速传动，运动的合成和分解，以及其特殊的应用中：

12、这些功用对于现代机械传动发展具有重要的意义。因此，行星齿轮传动在起重运输、工程机械、冶金矿山、建筑机械、轻工纺织、医疗机械、仪器仪表、汽车、船舶、兵器和航空航天等工业部门均获得了广泛的应用。由齿轮、轴、轴承和箱体组成的齿轮减速器，用于原动机和工作机或执行机构之间，其匹配转速和传递转矩的作用，在现代机械中应用极为广泛。在20世纪五十、六十年代，近邻日本对行星式齿轮减速器装置方面进行了大量的理论研究，并且始终处于世界减速机发达国家行列。步入八十年代初期，日本帝人公司便开始着手研究和开发2KV型摆线针轮减速器，并把它称之为RV传动。同时，该公司在1986 年对RV减速器的研究取得了阶段性成果，即研制

13、出应用于机器人的RV 传动、并且成功地实现RV 减速器的产业化。RV减速器自其投入市场以来，便因其具有卓越的性能引起传动机构学术界的关注、受到普遍地重视和广泛地好评。现在，帝人公司已对其生产的高精度、高刚度RV减速器形成了系列化产品。 我国自上世纪70年代至80年代初，高速齿轮技术经历了测绘仿制、技术引进（和技术攻关）、到能独立设计制造三个阶段。现在我国自己的设计制造能力基本上可满足国内生产的需要。80年代末至90年代初，伴随着渗碳淬火硬齿面齿轮减速器技术的推广，我国的通用齿轮减速器曾经历了一次大的发展，相继制订了几个硬齿面减速器的系列标准，如几个硬齿面减速器标准。90年代，国外的通用减速器普

14、遍都经历了一次新的更新的更新换代，它们不断推出的新的更新换代的硬齿面通用减速器标准, 不但在承载能力等主要技术指标上又有大的提高, 而且在模块化设计方面都作了新的努力, 相比之下, 我们的标准都已落后。进入到21世纪，我国减速器技术有了突飞猛进的发展，最具有代表性的就是PR系列模块式齿轮减速器，它的基本特征是： 1） 全部采用硬齿面齿轮； 2） 用模块化方法设计； 3） 具备当今国际一流的技术和质量水平； 4） 更适合于中国国情。国外减速器的发展具有以下特点：承载能力又大幅度提高，模块化设计方面作了新的努力，进一步采取降噪措施，进一步改进密封和外观。在减速传动机构精度方面，长久以来都是大部分集

15、中在几何将精度和静态精度提高方面的进行研究。美国Hughs Aircraft公司的 最早对摆线针轮行星式齿轮减速机构中影响回转传动精度的因素进行了分析研究，并于90 年代初先后发表了两篇具有权威性的文章。文中就摆线针轮行星式减速机的速度比的波动所导致的扭振与齿侧间隙以及回转精度进行了阐述。在文章阐述的过程中， Blanche 等人使用单纯几何学、计算出由于制造误差与装配误差所引起的齿侧间隙运算公式，并且凭借计算机CAD 工具推导出速度比波动、齿侧间隙和扭转振动之间的关系，而且给出了相应结果和一些有价值、具有指导理论意义的结论。日本学者日高照晃等 进行了更加深入的探索与研究，他们利用“等价模型”

16、法，搭建了两、三级曲柄摆线轮的回转机构传动误差分析研究的数学模型，并且得到了一些具有重要价值的理论结果。并与Blanche 的研究结果进行了实验验证。通过比较，二者结果较为吻合，具有良好的一致性。综上所述，随着航空航天、国防、工业机器人等领域对齿轮减速传动机构提出了既要保证传递精密运动又要传递大动力的要求，行星式减速传动机构也在不断的优化，本文将利用行星式减速传动机构对原有减速机构进行改进。1.4 论文研究主要内容与结构本文研究的主要内容为日立23t门机立式行星回转减速机的设计与制定零部件制造方案。整体研究工作包括了回转减速器的改造方案，主要零部件和装置的设计与制造，对重要部件进行有限元分析和

17、优化设计，最终的使用效果数据统计分析。具体章节安排如下：第一章，对论文的研究背景及研究意义进行介绍，对门机旋转结构及特点惊醒了详细的介绍。阐述了目前国内外对于减速机构的研究现状，对论文的主要研究内容以及文章结构进行说明。第二章，针对门机旋转减速机构装置进行故障分析，并且提出新型门机减速装置的改造设计方案。第三章，着重对立式行星式减速机的设计与制造进行介绍，列出齿轮传动装置、制动装置以及各个零部件的设计计算过程，并且说明减速机构的加工、装配和检验过程。第四章，简介有限元法的一般基础理论，对行星减速机构中的重要零部件进行有限元分析，包括有限元网格的划分、材料性能的定义、边界条件以及载荷的施加和结果

18、分析。基于分析结果对零部件进行优化设计，通过与原结果比较，证明优化设计的效果。第五章，对研究成果的使用情况进行分析研究。43第一章 门机旋转机构减速装置改造方案第二章 门机旋转机构减速装置改造方案2.1门机旋转减速机构故障分析随着科技进步，现代化机械设备也在不断的发展，大型化、复杂化的机械设备也越来越多，由于其工作与结构的复杂化，经常会引发一些设备故障。国内外科研学者也针对减速机的故障诊断进行了大量的研究工作，并且取得了一定的成绩。常见的减速机故障原因如表2-1所示。表2-1 日立23t门机立式行星回转减速机常见故障及排除方法故障内容可能原因排除的方法无负载状态下电机不运转停电检查电源，询问电

19、力部门连接线断裂检查接线开关接触不良修理或更换电极线圈断裂送专业工厂维修三相电极接单相电压确认电压及接线方式单相电机未接电容器连接电容器单相电机起动器动作良送专业工厂修理齿轮、轴心及轴承损坏送专业工厂修理负载时，电极不转电压过低检查电源线是否过细齿轮损坏送专业厂家维修超负载转动减少负载异常发热超负载转动减少负载起动、停止过多减少使用频率轴承磨损修理或更换电压过高或过低确认电压是否正常噪声太大声音大且持续：轴承损坏，齿轮磨损送专业工厂修理与用户服务机构联系偶尔声音大：齿轮损伤，有异物卡住振动太大齿轮、轴承磨损送专业工厂修理固定不良，螺丝松动重新锁紧异常的不稳定的动转噪声油已污染或油量不足检查油颜

20、色、浓度、油位漏油（电极法兰处、油封处、减速机法兰处、输出部分油封处）螺栓松动重新锁紧密封圈损坏替换并与用户服务机构联系（续）通气塞处漏油油量太多校正油量通气塞安装不正确正确安装通气塞频繁冷起动将通气塞换成排气阀电机转动时输出轴不转减速机轴键连接破坏送专业工厂修理在回转减速器的维修过程中，避免不了对一些零配件进行更换。诸如，齿轮高速轴，轴承等。而原厂的零配件现在已经很难买到，只能采用国产的一些零配件进行替代，而国产零配件在材质、热处理等方面达不到原机的设计标准，这就造成维修后不能长时间保持设备的正常运转。在本文研究中，23t门机原有的减速机构损伤最大的零件是齿轮，国产齿轮的加工精度比较低，大负

21、荷工况下加剧了零配件的磨损老化，减速机齿轮常见的失效形式有以下几种：1.齿的断裂齿轮副在啮合传递运动时，主动轮的作用力和从动轮的反作用力都通过接触点分别作用在对方轮齿上，最危险的情况是接触点某一瞬间位于轮齿的齿顶部，此时轮齿如同一个悬臂梁，受载后齿根处产生的弯曲应力为最大，若因突然过载或冲击过载，很容易在齿根处产生过负荷断裂，如图2-1所示。即使不存在冲击过载的受力工况，当轮齿重复受载后，由于应力集中现象，也易产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿在齿根处产生疲劳断裂。轮齿的断裂是齿轮的最严重的故障，常因此造成设备停机。图2-1齿根部的应力集中2. 齿面磨损或划痕1）粘着磨损 在低速、重载、高温、

22、齿面粗糙度差、供油不足或油粘度太低等情况下，油膜易被破坏而发生粘着磨损。润滑油的粘度高，有利于防止粘着磨损的发生。图2-2 粘着磨损2）磨粒磨损与划痕 含有杂质颗粒以及在开式齿轮传动中的外来砂粒或在摩擦过程中产生的金属磨屑，都可以产生磨粒磨损与划痕。图2-3磨粒磨损与划痕3）腐蚀磨损 由于润滑油中的一些化学物质如酸、碱或水等污染物与齿面发生化学反应造成金属的腐蚀而导致齿面损伤。图2-4 腐蚀磨损4）烧伤 烧伤是由于过载、超速或不充分的润滑引起的过分摩擦所产生的局部区域过热，这种温度升高足以引起变色和过时效，会使钢的几微米厚表面层重新淬火，出现白层。损伤的表面容易产生疲劳裂纹。图2-3齿面烧伤5

23、）齿面胶合 大功率软齿面或高速重载的齿轮传动，当润滑条件不良时易产生齿面胶合（咬焊）破坏，即一齿面上的部分材料胶合到另一齿面上而在此齿面上留下坑穴，在后续的啮合传动中，这部分胶合上的多余材料很容易造成其他齿面的擦伤沟痕，形成恶性循环。图2-6齿面胶合3.齿面疲劳（点蚀、剥落）所谓齿面疲劳主要包括齿面点蚀与剥落。造成点蚀的原因，主要是由于工作表面的交变应力引起的微观疲劳裂纹，润滑油进入裂纹后，由于啮合过程可能先封闭入口然后挤压，微观疲劳裂纹内的润滑油在高压下使裂纹扩展，结果小块金属从齿面上脱落，留下一个小坑，形成点蚀。如果表面的疲劳裂纹扩展得较深、较远或一系列小坑由于坑间材料失效而连接起来，造成

24、大面积或大块金属脱落，这种现象则称为剥落。剥落与严重点蚀只有程度上的区别而无本质上的不同。图2-7 齿面点蚀在闭式齿轮传动中，点蚀是最普遍的破坏形式。在开式齿轮传动中，由于润滑不够充分以及进入污物的可能性增多，磨粒磨损总是先于点蚀破坏。4.齿面塑性变形软齿面齿轮传递载荷过大（或在大冲击载荷下）时，易产生齿面塑性变形。在齿面间过大的摩擦力作用下，齿面接触应力会超过材料的抗剪屈服极限，齿面材料进入塑性状态，造成齿面金属的塑性流动，使主动轮节圆附近齿面形成凹沟，从动轮节圆附近齿面形成凸棱，从而破坏了正确的齿形。有时可在某些类型的齿轮的从动齿面上出现“飞边”，严重时挤出的金属充满顶隙，引起剧烈振动，甚

25、至发生断裂。图2-8齿面塑性变形正交弧齿椎齿锥盘结构减速器，相比较行星齿轮传动形式，对安装误差和变形非常敏感，承载能力低等缺陷，且以公司的维修技术能力在装配过程中的装配工艺还有很大差距，更加剧齿轮的磨损。综合以上多方面原因，可以知道单纯的提高加工精度、更换材质、严格执行装配工艺只能对损坏率过高问题给与一定程度的缓解，无法根治这一问题，且成本过高。这就需要转变思路，在结构形式上加以更改，从而达到减少设备损坏频次、降低维修成本、延长设备使用寿命的目标。2.2门机旋转机构减速装置改造方案2.2.1 减速装置主要形式简介前文已经对减速装置的主要分类进行了简介，在本文研究中，在选择哪种减速装置之前，一定

26、要知道各种减速装置的特点，然后再根据23t门机的实际情况确定减速装置的设计方案。减速装置主要形式的特点如下表所示：蜗轮蜗杆减速器的主要组成部分及作用、特点和常见的问题如下表所示整体名称部件名称作用主要特点常见问题蜗轮蜗杆减速器箱体支承固定轴系部件、保证传动配件正确相对位置并支撑作用在减速机上荷载1）机械结构紧凑、体积外形轻巧、小型高效；2）热交换性能好、散热快；3）安装简易、灵活轻捷、性能优越、易于维护检修；4）运行平稳、噪音小、经久耐用；5）使用性强、安全可靠性大。1）减速机发热和漏油；2）蜗轮磨损；3）传动小斜齿轮磨损；4）轴承（蜗杆处）损坏。蜗轮蜗杆传递两交错轴之间的运动和动力轴承与轴组

27、合动力传递、运转并提高效率图2-10 蜗轮蜗杆减速器谐波减速机，谐波减速机是一个杆状部件，其两端装有滚动轴承构成滚轮，与柔轮1的内壁相互压紧。柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其内孔直径略小于波发生器的总长。波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件。当波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开。周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器沿图示方向连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入，周而复始地进行，从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器H相反

28、方向的缓慢旋转。其主要特点图表2-2所示。名称主要优点主要缺点谐波减速机1） 承载能力高 谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数（重叠系数）比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高。2） 传动比大 单级谐波齿轮传动的传动比，可达 i=70500。3） 体积小、重量轻。4） 传动效率高、寿命长。5） 传动平稳、无冲击，无噪音，运动精度高。6） 由于柔轮承受较大的交变载荷，因而对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高，工艺复杂。1）柔轮周期性地发生变形，因而产生交变应力，使之易于产生疲劳破坏；2）转动惯量和起动力矩大，不宜用于小功率的跟踪传动；3）不能用于传动速比小于3

29、5的场合；4）采用滚子波发生器(自由变形波)的谐波传动，其瞬时传动比不是常数；5）散热条件差。谐波减速器结构如图2-11所示。图2-11 谐波减速机“锥齿-锥盘”式减速器，锥齿轮减速机是斜齿轮减速机中的一种类型，是各种反应釜专用的减速机，锥齿轮减速机其齿轮采用格里森准双曲线齿型，齿轮为硬齿面，具有承载能力大、噪音低，寿命长、效率高、运转平稳等特点。“锥齿-锥盘”式减速器结构如图2-12所示。图2-12 “锥齿-锥盘”式减速器行星齿轮传动的传动形式及主要特点已在第一章阐述。在此不再详细介绍。2.2.2 本文减速装置改造方案设计从国内、国际来看，门座式起重机普遍采用的是立式行星旋转减速器。该结构形

30、式的减速器技术已经普遍成熟应用于港机行业，在旋转机构上体现体积小、重量轻、传动范围比大、效率高和工作平稳、动力分配均匀，自动调心等优势。结合公司拥有设备的实际情况，决定研制行星高速级替换原有的椎齿锥盘高速级，并确定了研制方案。采用效率较高的NGW（N-内啮合，G内外啮合共用行星齿轮，-W外啮合）型行星齿轮减速器。NGW型行星齿轮减速机包括单级、两级、三级、减速的十二个系列和八个派生系列的渐开线圆柱齿轮行星系列。主要用于冶金、矿山、起重、运输、水泥、建筑、化工、纺织、印染、制药、食品环保等行业。本系列产品是个量大面广的产品，几乎在国民经济各个领域都少不了它。适用于齿轮圆周速度不大于12m/s，输

31、入转速不大于1500r/min，工作环境温度为-4045的传动机械，本系列适用于正反两个方向运转。图2-13级NGW型行星齿轮减速机简图NGW型行星齿轮减速机工作时，机体、机壳、内齿轮等固定不动。转矩由高速轴输入，经内部齿轮减速，最后由低速轴输出相应的工作机。主要构建有太阳轮、行星轮、内齿圈、行星架。 具有以下特点：体积小、重量轻、工作平稳、效率高和噪声小等特点。在相同情况下，比普通渐开线圆柱齿轮减速机重量轻1/2以上，体积小1/21/3;传动效率高:单级行星齿轮减速器达9798；两级达9496；三级9194。传动功率范围大：可以从小于1kW至1300kW，甚至更大。传动范围大：i2.8200

32、0 适应性强且耐用。齿轮、齿轴等主要零件采用优质低碳合金钢。采用渗碳、淬火磨齿等制造工艺。承载功率大，可由0-1300kW，且功率越大，优点越突出,装配型式多样;采用硬齿面技术，使用寿命长，使用性广。NGW型行星齿轮减速机级数是由其传动比确定的，如表2-2所示，为了获得更大的传动比，本文选用3级NGW型齿轮减速机作为设计方案。表2-1 NGW型行星齿轮减速机分类传动类别传动比单级2.812.5双级14160三级1802002.3 本章小结本章对23t门机原有减速机构的故障诊断进行了简介，重点介绍了原有减速机构齿轮的失效形式。阐述了各类减速装置的传动形式及其优缺点，确立选用行星减速机对23t门机

33、减速机构进行改造。第三章 立式行星减速器设计与制造3.1齿轮传动设计计算确定传动比，保持原有输入、输出参数不变或者接近，从而确定高速级齿轮的齿数和模数。从原车标准参数得出以下参数：1. 输入功率37kw； 2. 转速：950rpm；3. 速比：73.63；4. 输出转速：13.2rpm；5. 输出扭矩：35000n·m。（1）传动形式选择采用效率较高的3级NGW型行星齿轮减速器，传动简图如图3-1所示。图 3-1 三级NGW型行星减速器传动简图（2）高速级的传动比原锥齿锥盘高速级的传动比：z2（椎盘齿数）/z1（椎齿齿数）=48/14=3.43（3）高速级的计算1）配齿计算：根据传动

34、比范围，确定输入级行星齿轮个数Nw=3。由公式 其中是传动比，Nw齿轮数，za1是齿数；调整=3.1364，使C为整数。得出：za1=44；C=46；代入公式Zb1=C×nwza1，得出：Zb1=94 研制减速器的传动比：73.63×3.1364/3.43=67.33确定新的转速：950/67.33=15rpm，满足减速器设计要求范围。2）初步选取模数，测算中心距。根据机械设计手册模数选取原则，初步选取模数m=5。中心距计算：mmmm中心距相等，符合同心条件。验算齿轮接触强度：计算输入扭矩：=372N·m其中n为输入转速，取值为950rpm；p是输入功率，取值为3

35、7kw。根据公式：其中是齿数比，取值为44/94=0.468；K是载荷系数，通常取1.22；T1是转矩，取值372 N·m；齿宽系数，取值为0.4；是需用接触应力，取值500Mpa。计算得到：=143.9mm172.5mm =134.9mm172.5mm经验算齿轮接触强度满足设计要求。 3）齿圈分度圆计算：mm分度圆直径与2、3级减速器吻合，无需变位。3.2 电机的选择经过验证，新设计的行星齿轮高速级和原有的锥齿锥盘高速级输入参数不变，所以电机的选择保持和原有电机参数吻合即可。新设计的结构为立式行星减速器，所以在电机的安装形式上也要改为立式安装。受门机实际空间位置的局限，在满足功率3

36、7kw的前提，为保证安全，电机的总长度LC不得大于1100mm。根据上述条件，选取了大连二电机产YZP225M-6型电机。具体参数如表3-1所示。表3-1 电机主要参数型号标称功率额定电流额定扭矩额定转速工作制防护等级安装形式YZP225M-637KW73A355N·m985rpmS3-40%IP55IMB53.3 制动装置设计制动形式仍然保留原有“气顶油”方式，根据新设计的减速器设计块式制动架，及管线的改造设计。减速器的结构形式由“椎齿锥盘”改为立式行星减速器，在保持转速、输入功率不变的情况下，制动力矩保持不变即可满足制动要求。经过我们分析，原有的“气顶油”制动方式存在以下优点：1

37、 构简单，整个系统环节少，仅仅包括脚踏开关、气泵、刹车分泵。且控制系统为纯机械式，不存在电气控制。所以故障点相对少，维修简单方便。发生故障后可在很短时间内修复，对生产造成影响小。2造价低，整车制动系统在18000元左右（其中包括备用气泵）。备件便宜维护成本低。3遇有紧急情况时，可以在极短时间给予系统最大的制动力。4自身可通过油压平衡调整制动块间隙量。通过上述分析，继续 沿用“气顶油”制动方式，根据位置和立式行星减速器结构的要求，制动结构做出相应调整，由立式制动架改为卧式制动架。完成结构设计，绘制结构图纸，进行零部件的加工制作。外形结构图如图3-3所示。图 3-2 制动器外形图3.4 主要零件设

38、计1齿轮和高速轴材质的选择：高强度调质钢，具有齿面硬度高、抗点蚀和耐磨损的性能。通常的齿面硬度范围可以达到：4555HRC。广泛应用于承载能力高，体积小的齿轮。所以，我们选取齿轮和高速轴材质为40Cr。2按转矩初步估算轴径:高速轴材质为40Cr，选取材料系A=100，根据公式计算的到=57.34mm考虑到安全系数，轴径选取70mm3计算高速轴危险截面的抗扭断面安全系数：图3-3 危险界面示意图抗扭断面系数：其中d=70mm；b是键槽深度,取值为16mm；t是键槽宽10mm，取值为；代入上式计算得到cm3=68.6cm3根据截面的安全系数公式： 其中为18.5Mpa，为372N·m。计

39、算得出：SA=11.4，SB=34.1。截面许用安全系数s=1.32.5<SB<SA根据以上分析得出结论计符合安全技术规范。根据设计绘制图纸，并外协加工制作了零部件，如图3-2所示。=（a）行星轮 （b）行星架 （c）外齿圈图3-23.5本章小结本章介绍了NGW型行星齿轮减速机的设计工作。其中包括齿轮传动设计、电机的选择、制动装置的设计以及零部件的设计。第四章 基于有限元法的立式行星减速器分析与优化 减速器作为机器的重要组成部分，主要是用来将原动机的运动和力传递给工作机，并且改变原动机的运动速度和形式、力或力矩的大小与方向，使之适应其他工作机的需要。由于减速器箱体起到支撑、固定的作

40、用，由铸铁铸造而成，承受压力的能力比较强，但是对震动比较敏感，因此本章节的主要任务是对新型减速器箱体进行应力分析和模态分析，通过对箱体的应力分析，得到相应的应力分布图，并且找到减速机箱体应力最薄弱的区域；通过对减速机的模态分析，研究箱体的固有频率及振型，从理论上分析减速机箱体产生振动的敏感部位。检验减速器箱体设计是否合理。4.1引言有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的

41、问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。通用有限元分析软件支持行业数据/几何模型交换标准，CAD设计系统，AD/ CAE/ CAM离开每个单向或双向接口。有限元分析软件有多种操作系统的版本，如Unix，Windows/ NT的操作系统，同时支持多种硬件平台。ANSYS功能强，操作方便，硬件较好的适应性，以及常用的CAD软件具有良好的接口等。ANSYS软件的主要功能包括：结构分析，非线性分析，热分析，现场分析，压电分析，电磁分析，耦合场分析，流体分析，ANSYS材料和细胞库。ANSYS有限元分析软件能实现将有限

42、元分析、优化设计和计算机图形相结合，同时高端的多物理场耦合量的每一个独立的物理领域，包括各种结构下静态的，动态的线性或非线性分析线性百分点，稳态或瞬态温度场分析和相变，计算流体动力学分析，声学分析和电磁分析。他们还提供目标的优化设计，拓扑优化，概率有限元设计，二次开发技术等先进技术。功能几乎涵盖了所有的工程问题。ANSYS程序有限元分析工作分三个阶段：前处理阶段、求解阶段和后置处理阶段，具体步骤如下。第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。求

43、解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。为保证问题求解的收敛性，单元形状应以规则为好，内角避免出现钝角，避免出现畸形，因为畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映

44、对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。有限元分析流程如图5-1所示。图4-1 有限元分析流程4.2 基于有限

45、元法的箱体应力分析虽然ANSYS自身带有建模功能，但是这个建模功能非常有限，只能处理一些相对简单的模型。而本文进行分析的减速箱体结构比较复杂，ANSYS自带的建模功能不能满足本文所需箱体模型的建立。而SolidWorks软件具有强大的建模功能，利用它来建立本文所需的模型就相对简单一些，所以本文采SolidWorks软件来建立箱体的三维模型。图4-2 导入ANSYS软件中的箱体模型在建模的过程中，对减速机箱体模型进行了一些简化。简化了减速机箱体的结构，将上、下箱体以及输入端轴承盖作为一个整体，忽视过渡圆角、吊耳、油杯孔、螺纹孔、部分凸台以及顶部密封，然后按照设计图纸在准确尺寸的基础上建立了箱体的

46、三维模型。最终建立的形体模型。将在SolidWorks中建立的三维模型另存为Parasolid(*.x_t)格式，再导入到ANSYS。在ANSYS界面点击file-Import-PARA，找到文件夹中箱体三维模型，就可以将其导入到ANSYS中。如图5-2所示。4.2.1 有限元模型如何构建有效的有限元模型是有限元问题分析的关键。网格的生成操作需要针对不同的几何区域进行网格的划分，通过控制网格的参数，根据网格的大小在不同的几何区域生成网格。网格数目的多少将影响到计算规模的大小和计算结果的精度，但是在网格数量增大到一定程度之后，对于计算结果精度的影响会明显降低，这反正会影响到计算的速度，所以如何权

47、衡计算速度和计算精度之间的关系也是网格划分的关键步骤。对于一个相对简单的几何模型，利用自动生成网格的方法就能满足分析要求。但是对于那些不规则的几何模型，通常选用半自动或者手动的办法来进行网格的划分。在目前的研究中，一般选用含有1-个节点的四面体单元对减速机箱体进行有限元模型的网格划分。四面体单元的结构如图5-3所示。图4-3 含有10个节点的四面体单元考虑到减速机箱体结构的复杂性，本文选定带中节点的10节点四面体单元solid92的单元类型，减速机箱体的有限元模型如图5-4所示。图4-4 减速机有限元模型减速机的材料为灰铸铁，弹性模量Ex=140000Mpa，泊松比PRXY=0.25.4.2.

48、2 边界条件及载荷施加轴承所受载荷通常分为径向载荷和轴向载荷，作用于减速器的箱体上。在工程设计中，作用于轴承上的载荷一般都是按集中载荷进行计算的。对于滚动轴承来说，作用于轴上的载荷通过滚动轴承内圈传递到滚动体上，然后通过滚动体传递到外圈上，再通过外圈传递到箱体上，作用于箱体上的载荷属于面上的分布压力载荷。为了计算和添加载荷的方便，本次分析中，把轴向载荷视为作用在轴承盖法兰面或轴承外圈挡圈上的均布压力，把轴承座的径向载荷按照最大载荷处理，并作为均布载荷施加在作用面上。根据前面的计算得到的数据，齿轮分度圆直径为d=470mm，传递扭矩为T=372N·m，可以知道齿轮径向受力为：=1583

49、N。计算作用在壳体上的压强：=1.00777MPa其d=470mm，=80mm。定义分析类型静力学分析，选择底面为固定面，如图4-5所示，施加分布载荷在接触面上，如图4-6所示，然后求解。图4-5 选择固定面图4-6 施加载荷求解完成后，利用ANSYS生产的结果文件，查看各向位移和应力云图，如图5-5、5-6、5-7、5-8所示。 图4-7 箱体X方向位移图 图4-8 箱体Y方向位移图图4-9箱体Z方向位移图 图4-10 箱体总体位移图从分析结果可以看出，最大位移发生在输入端轴承端盖处，但是从各向位移视图得到的结果却表示为：在X方向的最大位移为0.00020846 mm，在Y方向的最大位移为

50、0.00082608mm, 在Z方向的最大位移为0.0012601mm, 总的最大位移为 0.015684 mm。以此，减速机几乎没有变形。图5-9为箱体应力云图。如图所示，最大应力发生在输入轴下方支撑处，但是其应力范围为0.000763MPa18.6MPa，由此得出，此减速机的设计是安全、可靠的。图4-11 箱体应力云图4.3 箱体模态分析4.3.1 模态提取方法模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析

51、。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。箱体作为减速机的主要承力部件，其动态的性能影响整个系统的振动特性，所以本文将对此新型减速机箱体进行模态分析，以此来确定箱体的固有频率和振型，找出振动的敏感区域，为振动分析提供依据。对于一般模态分析，ANSYS软件提供了七种模态分析的求解方法，分别为：Subspace法、Block Lanczos法、Power Dynamics法、Reduced法、Unsymmetric法、Damp法、QR法。由于Block Lanczos法求解精度高、速度较快。因

52、此，目前对于减速机箱体模态的研究中普遍采用Block Lanczos法。系统的第i阶振型的固有频率为：w=1/li-1/2，其中i=1，2，3···4.3.2 求解分析系统结构的振动可以认为是多阶固有振型的线性组合。其中，低阶固有振型是对结构振型影响较大的，越是低阶振型对结构的振动影响就越大。因此可以认为低阶振型对结构的动态振动频率起着决定性的作用。故在一般的结构动态振动特性分析时，通常只取前6阶固有振型进行分析。所以本文对箱体的模态分析道前6阶振型。将前文中划分好网格的模型重新调出，对其进行模态分析设置，并求解，得到前6阶固有频率，如表4-1。表4-1 固有频率

53、值阶数固有频率1149.012232.663458.284524.735563.086569.12前6阶振型如图4-12、4-13、4-14、4-15、4-16所示。、图4-12 一阶振型 图4-13 二阶振型图4-14 三阶振型 图4-15 四阶振型图4-16 一阶振型 图4-17 二阶振型从减速机箱体模态的计算结果来看，箱体的前3阶固有频率基本成等差分布，第4阶与第5阶固有频率较为接近，这跟减速机箱体的复杂结构有较大关系。在后处理的过程中，依次操作Utlility Menu>Plotctrls>Animate>Mode Shape，就可以以动态的方式显示减速机箱体的各阶振

54、型。各阶振型的振动形态描述如下：减速机箱体在其1阶固有频率振动时，主要沿y轴正方向平移振动；在其2阶固有频率振动时，主要沿y轴负方向平移振动；在其3阶固有频率振动时，主要沿x轴负方向平移振动；在其4阶固有频率振动时，主要沿x轴负正向平移振动；在其5阶固有频率振动时，主要沿y轴正方向中间处凹陷振动。本文设计的减速机输入转速为950r/min，根据下面的公式：w=w¢¤2p=n¤60式中w-减速机箱体的固有频率，w¢-输入轴转速，将分析得到的减速机箱体前6阶固有频率带入，得到可能对减速机箱体产生较大影响的输入端转速为：n=60´w=60´

55、149.01=8940.6 r/minn=60´w=60´232.66=13959.6 r/minn=60´w=60´458.28=27496.8 r/minn=60´w=60´524.73=31483.8 r/minn=60´w=60´563.08=33784.8r/minn=60´w=60´569.12=34147.2.6r/min由于在本文的设计中，输入转速为950r/min，远远小于一阶固有频率，不会引起共振，所以减速机箱体的设计是可靠的。4.4 结论本章运用常用三维建模软件SolidW

56、orks，建立新型减速器箱体的三维模型，利用SolidWorks与ANSYS12.1的相应接口技术，将建立的减速机箱体三维模型导入ANSYS中。通过对箱体进行应力分析，得到应力分布图、位移信息，找到最薄弱的区域，发现即使是最薄弱的区域也具有较大的安全系数，可以有效地抵御动载荷的破坏；并通过模态分析分析箱体固有频率及振型，为减速机箱体结构的设计检验提供有效依据。第五章 研究成果经济效益研究在任何社会制度下，任何单位和个人从事生产经营和管理活动，都要讲求经济效益，以保证其生存和发展。随着企业规模不断扩大，市场竞争日趋激烈，降低成本，提高效益，不仅要求增加整体效益，还要求在生产和流通各个环节，经营管理各个方面都要讲求经济效益，因此必须实行全面预算管理，加强预测决策制度，健全责任制，评价经营管理者承担的效益责任，企业效益审计也应运而生。为适应市场经济的快速发展，通过内部投资扩大生产规模、调整产业结构、寻求新的经济增长点，已成为企业发展的主要手段。因此如何通过开展工程项目的审计促进企业