山东大汉建设机械股份有限公司 山东济南 250200
摘要：起重机各组件的传动性能决定了塔式起重机传动性能的好坏。传动总体设计水平，决定了起重机的使用质量和产品的寿命。位于电机与卷筒轴之间的各种减速器的型式对传动机构的传动影响最大。文章主要研究了塔式起重机常用的四种减速器方案，从直齿齿轮、蜗轮蜗杆和行星齿轮的失效形式、设计准则、材料选择三个方面进行比较分析。
关键词：塔式起重机；直齿齿轮；蜗轮蜗杆
塔式起重机传动性能决定于起重机各组件的传动性能，而且很重要一部分与传动系统总体布置有关。常见塔式起升机构的布置方案如图1所示。起升机构要求传动装置的转速高，传递扭矩大，要具有一定的补偿性能，安全可靠，体积小，转动惯量小。
图2圆柱齿轮减速器方案示意图
1.1直齿齿轮的失效形式直齿齿轮的失效形式
有齿轮折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合、塑性变形。折断常发生于齿宽较小的直齿轮，可通过增大齿根圆角半径、提高齿面精度、增大模数等措施来改善；齿面点蚀常发生于闭式软齿面传动中，而且点蚀的形成与润滑油的存在密切相关，点蚀常发生于偏向齿根的节线附近，可通过提高齿面硬度和齿面质量来改善；齿面胶合可通过采用异种金属、降低齿高、提高齿面硬度等措施来改善；齿面磨损是开式传动的主要失效形式，可通过改善润滑和密封条件来改善。
1.2直齿齿轮传动的设计准则
开式齿轮传动的失效形式多是齿面磨损，所以在进行设计计算时候，通常按照齿根弯曲疲劳强度进行，由于存在磨损因素，故可将模数增大10%～20%。在闭式齿轮传动的设计中，齿面点蚀是软齿面齿轮主要失效形式，在设计计算是多数是按照齿面接触疲劳强度。由于具有较高的抗点蚀能力，所以硬齿面的轮齿比较容易折断，故在设计计算时候，按照齿根弯曲疲劳强度来计算，按齿面接触疲劳强度校核。对于高速重载齿轮，还应按齿面抗胶合能力的准则进行设计。
1.3直齿齿轮传动的材料选择
直齿齿轮的要有很高的硬度，来防止各种失效形式的发生，要抵抗齿根折断和冲击载荷，齿芯还应有足够的强度和较好的韧性，并要求有良好的加工工艺性能及热处理性能。当齿轮的载荷比较平稳，或者齿轮承受轻度载荷的冲击，此时可选择正火碳钢，当齿轮承受中度冲击载荷，则可选择调质碳钢，当齿轮承受重载荷并存在冲击载荷的情况下，一般需要选择合金钢。
2蜗轮蜗杆减速器方案
该方案的示意图如图3所示，其特点是结构紧凑，传动比大，工作平稳，噪声小，但效率较低。蜗轮蜗杆减速器方案具有反向自锁功能，有较大的速比，输入轴和输出轴不在同一直线上，也不在同一平面上。该方案的缺点是体积较大，效率不高（65%～70%），精度不高（8级）。
图3蜗轮蜗杆减速器方案示意图
该方案采用的是蜗轮蜗杆，蜗轮蜗杆传动的特点是传动比大，一般i=10～80，最大可达1000，重合度大，传动平稳，噪声低；结构紧凑，可实现反行程自锁。蜗轮蜗杆传动的主要缺点齿面的相对滑动速度大，效率低，蜗杆的造价较高。
2.1蜗轮蜗杆的失效形式
蜗轮蜗杆减速机的蜗杆传动的失效形式主要有：胶合、磨损、疲劳点蚀和轮齿折断等。在工作时蜗轮蜗杆的啮合面的传动效率不高，两者有较高的滑动速度，且伴随着较大的发热量，故如果不能很好的润滑和散热，那么蜗轮蜗杆的主要失效形式是胶合和磨损。
2.2蜗轮蜗杆传动的设计准则
在材料的强度和结构方面，蜗杆要优于蜗轮，所以失效多发生在蜗轮轮齿上，设计时只需要对蜗轮进行承载能力计算。目前还无法有效的获得胶合与磨损时的有关数据，所以蜗轮蜗杆是按照齿轮传动中弯曲和接触疲劳强度进行设计计算的。在对闭式蜗杆传动进行设计计算时按蜗轮轮齿的齿面接触疲劳强度，对齿根弯曲疲劳进行强度校核，并进行热平衡验算；在对开式蜗杆传动设计计算时按齿根弯曲疲劳强度进行计算。
2.3蜗轮蜗杆传动的材料选择
蜗杆多使用碳钢或者合金钢，以保证足够的强度，并且满足工作环境对蜗轮蜗杆的磨合性能、减磨性、耐磨性以及抗胶合能力等方面的要求。高速重载蜗杆常用15Cr或20Cr、20CrMnTi等，并经渗碳淬火；也可以40、45或40Cr并经淬火。40、45钢在经过调质处理后可用于低速中载的蜗杆，硬度为220～300HBS。蜗轮材料为选用铸造锡青铜（ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5），铸造铝铁青铜（ZCuAl1010Fe3）及灰铸铁（HT150、HT200）等。
3圆柱圆锥齿轮减速器方案该
方案的示意图如图4所示，其特点是可以改变力矩的方向即可以把横向运动转为竖直运动，主要用于两轴垂直相交、相错的场合。圆锥齿轮的失效形式、设计准则和材料选择同直齿齿轮。
图4圆柱圆锥齿轮减速器方案示意图
结语：
在上述的三个减速器方案中，圆柱齿轮减速器方案结构简单，有很好的稳定性，符合塔式起重机减速器的各方面要求。在闭式齿轮传动的设计中，齿面点蚀是软齿面齿轮主要失效形式，在设计计算是多数是按照齿面接触疲劳强度。由于具有较高的抗点蚀能力，所以硬齿面的轮齿比较容易折断，故在设计计算时候，按照齿根弯曲疲劳强度来计算，按齿面接触疲劳强度校核。经适当热处理的钢可用作直齿齿轮传动的材料，铸铁常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿轮材料。蜗轮蜗杆减速器方案为整体布局小，传动不平稳，虽然可以实现较大的传动比，但是传动效率低。在蜗轮蜗杆的设计时，只需要对蜗轮进行承载能力计算。常用的蜗轮材料为铸造锡青铜、铸造铝铁青铜及灰铸铁，在对闭式蜗杆传动进行设计计算时按蜗轮轮齿的齿面接触疲劳强度，对齿根弯曲疲劳进行强度校核，并进行热平衡验算；在对开式蜗杆传动设计计算时按齿根弯曲疲劳强度进行计算。行星齿轮减速器太阳轮、行星齿轮的选用材料多采用渗碳、淬火、回火热处理。由于圆锥齿轮较难加工，所以虽然圆柱圆锥齿轮减速器方案布局比较小，但是在实际生产过程中一般较少的使用。
参考文献
[1]张有国.塔式起重机塔身处坠落风险分析与控制[J].建筑机械化，2019（04）：67-69.
[2]徐慧，赖裕凤，温涛.试析塔式起重机结构制造的几个关键工艺[J].山东工业技术，2019（10）：62.
[3]赖裕凤，温涛，徐慧.组合式塔式起重机基础设计与应用[J].山东工业技术，2019（09）：125.
[4]冯国行，肖鸿韬，梁志文，石金平.塔式起重机起重量限制器检测装置研制[J].中国特种设备安全，2019，35（03）：70-72.
[5]李有年，代顺胜.组合式塔式起重机基础应用技术分析[J].中国标准化，2019（06）：126-127.
[6]唐明朗.塔式起重机臂架腹杆布局及尺寸优化设计分析[J].低碳世界，2019，9（03）：128-129.
论文作者:黄金烁,高积绪
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年8期
论文发表时间:2019/8/2
标签：蜗杆论文; 蜗轮论文; 齿轮论文; 减速器论文; 齿根论文; 强度论文; 疲劳论文; 《建筑学研究前沿》2019年8期论文;