楊昊東，任富強(qiáng)，賈碩國，趙曉鋒，剡昌鋒

(1.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)(2.青海華鼎齒輪箱有限責(zé)任公司，青海 西寧 810016)

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，人們對專用車輛的需求量逐年遞增，出現(xiàn)了專業(yè)化、輕量化、小型化、智能化和綠色化等發(fā)展趨勢[1]。高空救援車作為一種特殊的工程車輛，能夠?qū)⑷藛T和作業(yè)工具運(yùn)送到高空進(jìn)行作業(yè)，提高了作業(yè)人員的工作效率、安全性和舒適性，并能減輕其勞動強(qiáng)度[2]。

作業(yè)臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作為高空救援車的關(guān)鍵部件，在高空作業(yè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，其工作狀況的好壞直接影響到高空救援車高空作業(yè)的質(zhì)量和效率，而其中的減速器又對回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有著至關(guān)重要的影響，因此要求回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器體積小、承受載荷大，能夠在惡劣工況下工作，且服役壽命長[3]。侯文禮等[4]通過建立回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型，分析了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)負(fù)載特性，研究了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)齒輪的嚙合規(guī)律，發(fā)現(xiàn)設(shè)置合理的啟動時間能夠增加系統(tǒng)可靠性。

研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低等問題。為了解決此問題，本文設(shè)計了一種新型高空救援車作業(yè)臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器，并使用Romax Designer軟件對回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器進(jìn)行了仿真，分析了不同工況下傳動系統(tǒng)的損傷情況與使用壽命，驗(yàn)證了設(shè)計的合理性。

1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器總體設(shè)計

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器是用于高空救援車作業(yè)臂旋轉(zhuǎn)的傳動設(shè)備，要求輸出扭矩范圍大、傳動效率高、能耗低、噪聲小、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小和經(jīng)濟(jì)實(shí)用，能夠適應(yīng)各種惡劣的工況。本文設(shè)計的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器采用多級傳動，整體結(jié)構(gòu)緊湊，功能全、配置高，整個機(jī)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要部件有電機(jī)、 制動器、二級行星減速器和輸出齒輪軸。減速機(jī)的外觀尺寸為365.8 mm×282 mm×300 mm，主要技術(shù)指標(biāo)為：額定輸入功率5 kW，減速比24.4，額定輸入轉(zhuǎn)速160 r/min。

圖1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器三維結(jié)構(gòu)圖

1.2 減速器設(shè)計

按照設(shè)計要求，減速器需要提供大減速比、大扭矩和高功率密度[5]，同時具有良好的動態(tài)性能和較長的使用壽命。

為了進(jìn)一步增大傳動比和扭矩，選用由兩個2Z-X(a)型行星齒輪傳動串聯(lián)而成的二級行星齒輪減速器，其名義傳動比為ip1=ip2=4.9，ip1和ip2分別為第一級傳動比和第二級傳動比。第一級2Z-X(a)型行星傳動的行星架的輸出軸通過花鍵與第二級2Z-X(a)型行星傳動的太陽輪輸入軸相連。為了簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和降低制造成本，兩級行星傳動均采用相同的配齒方式，內(nèi)齒圈和行星輪結(jié)構(gòu)一致，太陽輪軸和行星架結(jié)構(gòu)基本一致。

由2Z-X(a)的結(jié)構(gòu)可知，由于行星傳動自由度W為1，因此在力求簡化傳動方案的設(shè)計原則下，采用1個控制元件，從而使行星傳動控制過程簡單、高效，并可進(jìn)一步提升產(chǎn)品功率密度。

為減小減速器的體積，設(shè)定太陽輪齒數(shù)為17；根據(jù)既定的減速比和配齒計算，確定行星輪與內(nèi)齒圈的齒數(shù)分別為25和67；利用彎曲強(qiáng)度初算模數(shù)得到齒輪的模數(shù)m=1.75。行星齒輪組參數(shù)見表1。根據(jù)嚙合參數(shù)計算了標(biāo)準(zhǔn)中心距和變位系數(shù)，通過鄰接關(guān)系、同心條件和安裝條件驗(yàn)證了設(shè)計的合理性。

表1 行星齒輪組主要參數(shù)

為保證行星傳動的平穩(wěn)性，減速器采用太陽輪浮動的均載機(jī)構(gòu)，使載荷均勻地分布于太陽輪與行星輪的嚙合處，從而可使行星輪與轉(zhuǎn)臂的慣性力平衡，同時也使參與嚙合的齒數(shù)增多，增強(qiáng)抵抗沖擊和振動的能力，顯著提升系統(tǒng)的可靠性。

1.3 制動器設(shè)計

為保證作業(yè)臂工作時安全可靠、無異響，且旋轉(zhuǎn)到位后能有效鎖死，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器的制動器采用摩擦片式靜態(tài)制動方式[6]。具體結(jié)構(gòu)如圖1左側(cè)所示，主要由油缸、活塞、制動盤、碟簧和摩擦片等組成。

制動器的工作原理為：作業(yè)臂工作時，油缸的油路處于卸壓狀態(tài)，在碟簧的作用下回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器處于鎖死狀態(tài)。當(dāng)工作臂停止工作，轉(zhuǎn)向下一個工位時，油缸的進(jìn)油口輸入高壓油，當(dāng)活塞上壓力大于制動盤碟簧壓緊力時，制動盤就會被推開，從而使摩擦片和制動盤分離，制動盤解除制動，電機(jī)直接驅(qū)動減速器輸入軸，通過減速器帶動輸出齒輪軸，使作業(yè)臂旋轉(zhuǎn)至指定的工位。

作業(yè)臂在工作過程中要求具有高可靠性，因此由液壓系統(tǒng)驅(qū)動活塞，根據(jù)注油量控制制動裝置的力矩，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器的傳動和液壓制動互不干涉。

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減速器與制動裝置共用一個箱體，減小了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的體積。巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計和簡單高效的功能配置，使回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能適應(yīng)多變的工作環(huán)境，也提高了系統(tǒng)的可靠性。

2 減速器傳動系統(tǒng)建模與仿真

2.1 減速器傳動系統(tǒng)建模

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器常工作于復(fù)雜的工況下，啟停頻繁，瞬時載荷大，增大了齒輪和軸承故障的失效概率，因此需要對齒輪和軸承進(jìn)行仿真分析[7]，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低設(shè)計成本，縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期。

使用仿真軟件Romax Designer模擬齒輪箱工況，齒輪、軸、花鍵、軸承在Romax Designer軟件中可視為剛性零部件，直接進(jìn)行參數(shù)化建模，通過模擬回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在不同工況下的工作情況，得出相關(guān)零件的損傷和壽命結(jié)果。

2.1.1軸建模

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器的軸類零件主要有輸入軸、一級行星軸、二級輸入軸、二級行星軸和輸出軸。軸的材料均選用20CrMnTi，其屬性參數(shù)見表2。

表2 軸的材料屬性

2.1.2行星齒輪組建模

采用表1中的行星齒輪組參數(shù)進(jìn)行建模，在Romax Designer中對齒輪幾何尺寸、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和材料等進(jìn)行詳細(xì)定義。齒輪材料和熱處理方式分別為：太陽輪a和行星輪c均采用20CrMnTi，齒面滲碳淬火，齒面硬度為HRC 58～62，加工精度為6級；內(nèi)齒圈b采用42CrMo，調(diào)質(zhì)硬度為HB 240～280，整體氮化，齒面硬度≥HV 550，齒部加工精度為7級。

2.1.3軸承建模

根據(jù)設(shè)計均選用SKF軸承，輸入軸軸承選用NJ205EC，輸出軸軸承選用7209BE和7210BE，行星輪軸承選用NA4901-2RSR。在Romax Designer中分別定義了這4類軸承的尺寸類型、結(jié)構(gòu)和當(dāng)量載荷等參數(shù)。

2.2 齒輪、軸承和軸的裝配

按照圖紙中齒輪和軸承的安裝位置，設(shè)定各軸系的位置關(guān)系，在Romax Designer中對齒輪、軸承和軸等零件進(jìn)行裝配，得到傳動系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

圖2 傳動系統(tǒng)仿真模型

2.3 減速器功率載荷設(shè)定

在高空救援車的使用壽命內(nèi)，要求回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器10年不失效。假設(shè)救援車工作在25 ℃的環(huán)境溫度下，年工作250天，每天工作8 h，工時利用率為80%，則高空救援車的總工作時間為24 000h。由于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器只是高空救援車中的一個部件，主要為作業(yè)臂的轉(zhuǎn)動提供動力，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作時間是整車的10%左右，因此該回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器的實(shí)際工作時間為2 400 h。根據(jù)減速器技術(shù)指標(biāo)和使用工況，在Romax Designer中設(shè)置兩種工況：

1)按照最大功率的80%、使用時間的25%設(shè)置。額定功率為5 kW，則使用功率為5×0.80=4.00 kW，使用時間為600 h，轉(zhuǎn)速為128 r/min。

2)按照最大功率的55%、使用時間的75%設(shè)置。額定功率為5 kW，則使用功率為5×0.75=3.75 kW，使用時間為1 800 h，轉(zhuǎn)速為88 r/min。

2.4 仿真與結(jié)果分析

將上述兩種工況添加到仿真模型中，使用靜態(tài)分析法進(jìn)行仿真分析，得到仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 Romax Designer仿真結(jié)果

2.4.1軸承壽命分析

參考ISO 281標(biāo)準(zhǔn)計算軸承的基本額定壽命：

(1)

式中：L10為可靠性為90%的軸承基本額定壽命；a1為可靠性系數(shù)；a2為材料系數(shù)；a3為工作條件系數(shù)；Cr為軸承的額定動載荷；Pr為軸承的當(dāng)量動載荷；ε為壽命指數(shù)。

基本壽命是用標(biāo)準(zhǔn)公式計算出的軸承壽命，在式(1)中，假設(shè)軸承的位置已完全校準(zhǔn)，軸承內(nèi)部沒有間隙，而且具有一定比例的軸向和徑向載荷。

ISO 281/TS 16281標(biāo)準(zhǔn)中計算軸承修正壽命L10m的公式為：

L10m=f1zL10

(2)

式中：f1z為軸承壽命修正系數(shù)。

ISO 281/TS 16281標(biāo)準(zhǔn)中的修正損傷率，是在載荷譜中利用修正后的壽命計算公式計算得到的百分比。修正壽命是在考慮了軸承疲勞強(qiáng)度、潤滑條件和環(huán)境清潔度等因素影響下的修正額定壽命。仿真得到的軸承標(biāo)準(zhǔn)損傷率與修正損傷率如圖4所示，軸承基本額定壽命與修正壽命如圖5所示。圖4和圖5中軸承1為支撐輸入軸的圓柱滾子軸承NJ205EC；軸承2為7209BE；軸承3為7210BE；軸承4、5、6為二級行星輪軸承；軸承7、8、9為一級行星輪軸承。由圖可以看出，修正壽命和修正損傷率更接近于實(shí)際工況，而修正壽命比基本額定壽命要低。

由仿真結(jié)果可以得出：

1)軸承的損傷率比較低，在1.4%以下，表明所選軸承能夠滿足回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器的使用要求。

2)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器軸承損傷主要發(fā)生在一級行星輪的固定軸承處，說明第一級行星齒輪嚙合處產(chǎn)生較大的應(yīng)力。由于行星輪不僅與太陽輪和內(nèi)齒圈同時嚙合，而且行星輪軸承還傳遞扭矩到行星架，因此行星輪固定軸承的損傷較大，但相對于實(shí)際使用情況而言，軸承損傷不影響減速器的正常工作，可以忽略。

圖4 軸承標(biāo)準(zhǔn)損傷率與修正損傷率圖

圖5 軸承額定壽命與修正壽命圖

3)總體上，各個軸承的修正損傷百分比都小于1.5%，因此可以認(rèn)為每一個軸承都能夠在接近于實(shí)際工況下安全工作，在額定壽命內(nèi)無故障發(fā)生。減速器中各個軸承的疲勞壽命都滿足使用要求，并且能夠達(dá)到回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器的軸承壽命要求。

2.4.2齒輪校核

按ISO6336:2006標(biāo)準(zhǔn)要求對齒輪進(jìn)行強(qiáng)度校核，仿真結(jié)果見表3和圖6～圖8所示，表中N/A表示壽命為無窮大。圖6～圖8中齒輪1為一級內(nèi)齒圈；齒輪2、3、4為一級行星輪；齒輪5為一級太陽輪；齒輪6為二級內(nèi)齒圈；齒輪7、8、9為二級行星輪；齒輪10為二級太陽輪。

表3 齒輪壽命 單位：h

由表3可知：一級太陽輪的接觸疲勞壽命最小，為2 703.16 h，但能夠滿足減速器的使用壽命要求；所有齒輪的彎曲疲勞壽命都趨向于無窮大。這表明行星齒輪減速器中各齒輪的組合壽命都能夠滿足設(shè)計要求，保證設(shè)備在服役時間內(nèi)安全可靠運(yùn)行。

圖6 齒輪組損傷圖

由圖6可知：回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器中各齒輪只有接觸疲勞損傷，且總損傷率很小，小于8%，彎曲疲勞損傷接近于0。最大損傷發(fā)生在第一級太陽輪嚙合處，為7.2%。這是因?yàn)樵诠ぷ鬟^程中第一級太陽輪轉(zhuǎn)速高，承受的接觸疲勞應(yīng)力最大，在接觸正應(yīng)力或摩擦力的作用下，接觸面產(chǎn)生了局部塑性變形，在隨后的周期脈動壓縮加載過程中，接觸表面易損傷。

圖7 齒輪組最大接觸應(yīng)力圖

圖8 齒輪組最大彎曲應(yīng)力圖

由圖7和圖8可知，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器在設(shè)定的工況下，齒輪間最大接觸疲勞應(yīng)力發(fā)生在第一級太陽輪與行星輪嚙合處，為1 905.53 MPa，齒輪間最大彎曲疲勞應(yīng)力發(fā)生在第二級行星輪1與齒圈的嚙合處，為525.6 MPa，但由于都小于許用接觸應(yīng)力，可以在設(shè)定的工況下安全工作。

由軸承和齒輪的仿真結(jié)果可知，軸承和齒輪的損傷都很小，能夠保證回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器工作時間達(dá)到10年時其性能保持不變。

3 結(jié)束語

本文對回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器中的行星齒輪減速器、液壓制動器等關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計與三維建模，提出了一種高空救援車作業(yè)臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器的新型設(shè)計方案。利用Romax Designer軟件對不同工況下回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零件的損傷與壽命進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，軸承與齒輪的損傷率較低，對回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器性能的影響可以忽略，軸承與齒輪的壽命能夠滿足高空救援車的要求。本文設(shè)計的減速器能夠擴(kuò)展回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)輸出扭矩的范圍，以進(jìn)一步提高效率，降低能耗。