双联行星传动齿轮箱的改装

摘要：本文针对双联行星齿轮箱传动机构存在的问题，进行了相关研究。通过起货放货的受力分析，进行了相关计算,调整双联行星齿轮的相对位置，进行传动机构的重新组装。经过有关参数的校核和实际应用，证明改装后齿轮运转平稳顺畅，满足要求。

关键词：双联行星轮系；齿轮设计；参数校核；热处理

中图分类号：U661.22文献标识码：A

Modification research and application of double planetary gear box

HONG Xiong

( CCCC Guangzhou Dredging Co .,Ltd.Guangzhou 510221 )

Abstract: In this paper, aiming at the existing problem of dual planet gear transmission mechanism, has carried on the related research. Stress analysis of the Crane put goods, has carried on the related calculation. By adjusting the relative location of double planetary gear,then assemble transmission mechanism. After checking the related parameters, that the design of gear machining fully meet the classification requirements.

Key words: Double planetary gear train;Gear design;Check the parameter calibration;Heat treatment

1前言

双联行星齿轮箱具有结构紧凑、传动比大、效率高、传动平稳、抗冲击能力强等优点，所以在船舶甲板机械中得到广泛应用。

某工程船的起货机采用双联行星齿轮箱作传动减速机构，在使用中船方发现某台起货机存在较严重的振动和噪音，决定对该设备进行检修。

齿轮箱分解后，发现啮合齿面拉毛、齿侧间隙偏大，为解决这些问题，我们进行了课题攻关，顺利解决了诸多难题。

2齿轮箱的结构特点和传动原理

2.1结构特点

该工程船的起货机，由电动机和绳筒组成，外形尺寸约φ800mm×2000mm。绳筒直径φ540mm，长410mm,绳筒内是双联行星传动减速齿轮箱，具体结构如图1所示。

2.2传动原理

电动机工作时，传动顺序依次是：花键-齿轮轴转→双联行星齿轮反向自转→内齿圈-花键轴固定不动→双联行星齿轮架同向公转→绳筒内齿圈及绳筒反转→吊杆货物升降。

电动机转向决定绳筒转向，两种不同旋转方向，对应货物的起升或落降，升降快慢由电动机的转速来控制。无论起升或落降，最终都是通过绳筒内齿圈的转动来实现。

1花键-齿轮轴 2双联行星左联齿轮 2＇双联行星右联齿轮 3绳筒内齿圈4内齿圈-花键轴 5行星轮架 6绳筒

图1 齿轮箱的结构图

3齿轮箱存在的问题和改进设计

3.1传动构件参数

行星传动齿轮箱各齿轮的模数都是6，根据传动比要求，原齿轮箱各齿轮齿数如表1所示。双联行星传动齿轮箱，根据结构布置和传动原理，所有啮合齿轮中心距都必须相同。由表1所列齿数，可得啮合齿轮的中心距均为111 mm，三个行星轮中心都在φ222 mm的圆周上。花键-齿轮轴到绳筒的传动比为4.285，双联行星右联齿轮与花键轴内齿圈的啮合仅起运动传递作用，在整个传动过程中使双联行星齿轮公转。

表1各齿轮原参数

3.2存在的问题及原因分析

3.2.1存在的问题

齿轮箱分解后，重新装配，发现花键轴内齿圈很难装进三个行星轮的右联齿轮上。用外力强行装入后，传动机构转不动。用电动机驱动，齿轮箱有异常响声且振动严重，重新打开后发现齿面有拉毛损伤迹象。

3.2.2原因分析

行星齿轮箱特别是双联行星齿轮箱有制造装配困难的特点，其原因有两个方面：一方面，从花键齿轮轴到绳筒内齿圈，需保证双联行星左联齿轮能均布于两者之间，这就要求花键齿轮与绳筒内齿圈的齿数之和是行星轮个数的整数倍；另一方面，双联行星轮的两个齿轮加工在同一根棒料上，齿轮位置不能调整，装配行星轮架时需要找出三个行星齿轮正确的装配位置，否则三个行星齿轮能装进绳筒内齿圈，但花键轴内齿圈却装不进三个行星轮。

如果用外力强行装配，则会在双联行星轮上产生附加外力，使内齿圈卡住某个行星齿轮，在附加外力作用下运转，齿轮箱就产生异常响声、严重振动和磨损齿面。

3.3齿轮箱的改进设计

根据表1所示齿轮参数，发现花键齿轮轴与绳筒内齿圈的齿数和不是行星轮个数的整数倍，花键轴内齿圈齿数也不是行星轮个数的整数倍，这样就可能导致装配困难。为满足装配条件要求，经过试算，保留齿轮模数不变，将各齿轮参数调整如表2所示。调整后，啮合齿轮中心距为117 mm,三个行星轮轴线在φ234 mm的圆周上。

表2调整后的各齿轮参数

4改进后的校核

4.1装配条件校核

4.1.1齿数校核

参数调整后，各齿轮齿数均为行星轮个数的整数倍；花键齿轮轴与绳筒内齿圈的齿数和是行星轮个数的整数倍；花键轴内齿圈齿数是行星轮个数的整数倍。这样，齿数满足装配条件，能保证三个行星轮装进内齿圈。

4.1.2邻接条件校核

三个行星齿轮，必须保证两两互不相碰，并至少留有至少0.5 mm以上的齿顶间隙。三个双联行星齿轮中心均布在φ234 mm的圆周上，两两行星齿轮中心距为202.649 mm。行星左联齿轮顶圆直径为φ102mm, 行星右联齿轮顶圆直径为φ192 mm,两齿轮中心距均大于齿顶圆直径。所以，改进设计后齿轮参数满足两两互不干涉条件。

4.1.3三个行星齿轮位置校核

因为双联齿轮加工在同一根棒料上，齿轮位置不能调整，所以装配行星轮架时需要找出三个行星齿轮正确的装配位置，否则花键轴内齿圈就装不进行星轮。正确的装配位置是双联行星轮的两个齿轮各有一个齿槽的对称线必须在同一轴平面上，并且朝外。行星齿轮左联齿数是24，右联齿数是30，则每隔120º 就各有一个齿槽在同一轴平面上，能满足调整需要。正确的装配位置如图2所示。

图2双联行星轮装配位置示意图

4.2起降速度校核

该工程船配备的行星齿轮起货机，绳筒直径φ540mm，长410mm,按中华人民共和国《船用起货机绞车》标准GB7389-87的规定，该型起货机挂重3.15 t，最小额定起升速度分不小于19.2 m/min和不小于37.8 m/min两档,负载最大落地速度不大于12 m/min。

起货机起降速度由电动机转速决定，电动机转速由定子极对数决定。双联行星齿轮箱的传动比是4.2，该起货机经齿轮箱减速后绳筒转速如表3所示。

表3绳筒转速

绳筒直径φ540 mm,每转一圈货物起降1.69 m。当绳筒转速为23.81 r/min，起升速度为40.35 m/min；当绳筒转速为11.90 r/min，起升速度为20.17 m/min；当绳筒转速为5.95 r/min，落降速度为10.08 m/min。因此，绳筒起货放货速度均满足国标规定。

4.3强度校核

4.3.1 受力分析

起货机起货分快起和慢起两档，为安全起见，放货速度较起货速度慢。单位时间内，快速起货所需功率最大，因此功率计算、力矩校核均按消耗功率最大的快起工况进行。

双联行星齿轮箱传动机构起减速增矩作用，齿轮箱在工作时，传递功率不变，啮合齿轮转速快，传递扭矩就小，反之传递扭矩就大。

快档起货速度为40.35 m/min，φ540 mm直径的绳筒受到3.15 t的拉力作用，此时绳筒传递的功率为21.19kW，绳筒圆周处的扭矩为8 505 N·m。双联行星轮系传动构件中，各齿轮所受力矩如表4所示。

表4 调整后的各齿轮受力计算

4.3.2强度校核

双联行星齿轮箱是闭式传动，轮齿失效的主要形式是齿面接触疲劳点蚀和轮齿弯曲疲劳折断。从表2可知，花键轴齿轮在传动过程中啮合次数最多，单个轮齿受力最大，交变频率最高，因此只校核花键轴齿轮接触疲劳强度和弯曲强度。

4.3.2.1轮齿接触疲劳强度校核

根据计算，接触应力为：

δH =216.4N／mm2

许用接触应力为：

[δH ] =1 166.6N／mm2

由此可知，δH ＜ [δH ]，齿面接触疲劳强度满足需要。

4.3.2.2轮齿弯曲强度校核[3]

根据计算，弯曲应力为：

δF =1.85N／mm 2

许用轮齿弯曲应力为：

[δF]=231.25N／mm2

由此可知，δF ＜ [δF]，轮齿弯曲强度满足需要。

4.4材料选择及热处理

齿轮材料可选用42CrMo或20CrMnTi，在加工制作时，要严格进行热处理，以保证工件具有良好的机械性能和表面硬度。工程船需要长时间在海上作业，对起货机的可靠性要求较高，轮齿形状又比较复杂，要求齿面有较高的耐磨性。低碳合金钢渗碳，渗碳层沿齿廓分布均匀，经淬火后，淬硬层分布也比较均匀，能提高渗碳齿轮的性能，可延长齿轮的使用寿命。齿轮加工必须保证精度，以满足啮合间隙和齿面接触要求，传动外齿轮6级，内齿圈7级。

实际加工齿轮时，选用20CrMnTi，表面渗碳。齿面硬度ＨＲＣ５８－６２，渗碳层含碳量１％，心部硬度ＨＲＣ３０－４０，渗碳层厚度根据模数取１.５mm。

5拆装需要注意的问题

（1）齿轮箱拆装，一定要做标记，以免传动构件装错位置；

（2）行星轮架与花键轴内齿圈端面必须隔开，可通过内齿圈-花键轴端盖的两个螺栓来调整；

（3）装行星轮架时，一定将三个双联行星齿轮调至装配位置，保证花键轴内齿圈在任何位置都能顺利拆装，且装后传动机构转动灵活；

（4）齿轮箱内润滑油加装要适量；

（5）起货机组装后，在自由状态，以一人之力应能转动绳轮滚筒；

（6）起货机空车运转时，应无异常响声和转动，否则应检查消除。

6结论

起货机改装修理后，空车运转无明显噪音和振动；挂重试验，运转平稳顺畅。修理效果非常明显，完全满足起货放货需要。经过改装修理，为船舶正常安全作业提供了坚实的基础，获得了高度好评。

参考文献

[1] 中华人民共和国标准. 船用起货机绞车[G], GB7389-87.

[2] 徐灏等. 机械设计手册(第3卷)[M]. 北京: 机械工业出版社, 1992.

[3] 杨可祯等. 机械设计基础[M]. 北京: 高等教育出版社, 1979.

[4] 孟宪法等. 船舶辅助机械[M]. 北京: 人民交通出版社, 1985.

[5] 史美堂 . 金属材料及热处理[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 1983.

作者简介：洪雄（1963-）男 , 工程师。主要从事船机管理工作。

收稿日期：2014-01-16