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1概述
鑄造起重機(jī)是冶金廠的專用起重設(shè)備，主要為煉鋼廠轉(zhuǎn)爐或電爐服務(wù)，用于吊運(yùn)熔化金屬，具有工作頻繁，負(fù)荷作業(yè)率高，工作條件惡劣，速度高等特點(diǎn)。鑄造起重機(jī)的機(jī)械部分主要有起升機(jī)構(gòu)，起重機(jī)及小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，各機(jī)構(gòu)的主要部件為傳動系統(tǒng)，減速器是傳動系統(tǒng)的重要單元。在整個起升機(jī)構(gòu)中，減速器承擔(dān)著傳遞動力，實(shí)現(xiàn)工況速度的重任，起重機(jī)用減速器是起重機(jī)設(shè)備專有的配套設(shè)計和制造技術(shù)，是起重機(jī)安全可靠運(yùn)行的重要保障。
一般減速器都采用底座式結(jié)構(gòu)，即底座平面和機(jī)體剖分面平行，鏜孔時以底座平面作基準(zhǔn)。
起重機(jī)是一個鋼結(jié)構(gòu)的整體，其變形量是一個很可觀的數(shù)字，而減速器本身不允許變形，這樣就要求減速器的安裝位置能克服機(jī)構(gòu)本身的變形。
2鑄造起重機(jī)主起升機(jī)構(gòu)傳動型式
建國初，國內(nèi)起重機(jī)減速器長期以來是以前蘇聯(lián)PM減速器系列為主改型的國產(chǎn)的ZQ系列減速器。20世紀(jì)80年代，國內(nèi)主要采用的是西德在MAN公司減速器系列的基礎(chǔ)上，制定出的DIN15053國家標(biāo)準(zhǔn)減速器。
目前國內(nèi)使用的鑄造起重機(jī)，其主起升機(jī)構(gòu)的傳動方式，大致可分為"品"字型三減速器傳動型式和硬連接的傳動型式二種。
傳統(tǒng)的"品"字型三減速器傳動型式，軸向結(jié)構(gòu)尺寸較大。通常一級減速器內(nèi)都帶有行星或棘齒輪機(jī)構(gòu)保證兩輸入軸的同步，每兩級減速器之間通過聯(lián)軸器傳遞力矩，傳動環(huán)節(jié)多，制造成本較高。從理論上來講，單減速器卷筒在外的布置形式要比卷筒在內(nèi)的布置形式受力更合理，但變形對減速器的使用造成的影響未經(jīng)實(shí)踐證明，因而齒輪嚙合間隙有待于通過試驗獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，確立數(shù)據(jù)模型，以使設(shè)計更加合理，可行。目前，國外同類鑄造起重機(jī)的主起升機(jī)構(gòu)中，均采用傳統(tǒng)的品字型三減速器傳動型式和卷筒在內(nèi)的布置型式的技術(shù)。
3新型單減速器傳動理論設(shè)計
此次設(shè)計的鑄造起重機(jī)，用于煉鋼廠用于吊運(yùn)鐵水。起重機(jī)要求為四梁四軌，鉸接端梁結(jié)構(gòu)型式。主要由橋架，主小車，副小車，大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，司機(jī)室及檢修吊籠裝置，電氣控制系統(tǒng)等部分組成。主小車沿著主梁軌道運(yùn)行，副小車沿著副主梁軌道在主小車下面運(yùn)行，整車沿著廠房軌道運(yùn)行。
主小車起升機(jī)構(gòu)采用兩電動機(jī)，四個盤式制動器，一件減速機(jī)，并列式布置驅(qū)動，該減速器在高速軸通過齒輪相連，能確保起升機(jī)構(gòu)在一臺電機(jī)和它所配制動器故障時，可由另一臺電機(jī)驅(qū)動，完成一個工作循環(huán)。在盤式制動器上設(shè)有手動釋放裝置，能確保在制動器故障時，可用該裝置將制動器打開，保證機(jī)構(gòu)能完成所剩余的工作。
在設(shè)計時，主起升機(jī)構(gòu)在司機(jī)室對側(cè)的極限尺寸很小，為確保不與廠房上料管干涉。必須設(shè)計一種結(jié)構(gòu)緊湊的新型傳動方式。本設(shè)計首次采用單減速器卷筒在外的布置。這種布置方式，其軸向結(jié)構(gòu)尺寸小于品字型三減速器傳動方式，吊點(diǎn)距方向結(jié)構(gòu)尺寸小于兩個卷筒放在減速器中間的布置型式，同時取消了常用的行星或棘齒輪機(jī)構(gòu)，直接通過兩高速級之間的同步齒輪來實(shí)現(xiàn)兩卷筒之間的同步動作。這種結(jié)構(gòu)的使用大大降低了制造成本以及傳動鏈的傳動環(huán)節(jié)，同時直接減小了整車極限尺寸。
在設(shè)計時，將減速器機(jī)體設(shè)計成剛度相對較高的雙幅板結(jié)構(gòu)，減速器機(jī)體剛度高于小車架剛度。當(dāng)額定負(fù)荷工作，小車架出現(xiàn)下?lián)蠒r，由于減速器機(jī)體剛性較高，并不隨著小車架的下?lián)隙a(chǎn)生變化，同時減速器產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力。
減速器與小車架之間的固定方式采用單側(cè)固定，另一端游動的方式。當(dāng)小車架下?lián)蠒r，未擰緊的減速器一側(cè)將沿著導(dǎo)向塊在底座上滑動，從而避免減速器中心距發(fā)生變化。在此理論基礎(chǔ)上可以初步確定，該小車架的下?lián)喜蛔阌谟绊扆X輪嚙合間隙。
從理論上來講，這種傳動方式結(jié)構(gòu)緊湊，受力更合理。但由于采用單減速器，減速器自身體積增大，傳動環(huán)節(jié)增多，這樣就可能在工作中引起減速器的劇烈振動和較大變形，產(chǎn)生較大的沖擊載荷。為了評價這種傳動方式的可靠性，合理性和科學(xué)性，以使今后的設(shè)計更趨完善，對其進(jìn)行有限元分析。
4有限元分析
對鑄造起重機(jī)主小車架和減速器的殼體進(jìn)行有限元分析，確定其應(yīng)力和擠壓應(yīng)力的分布，為產(chǎn)品設(shè)計和齒輪嚙合間隙的選取提供可靠的分析數(shù)據(jù)。
4.1邊界條件該鑄造起重機(jī)小車架為鋼結(jié)構(gòu)件，主減速器通過螺栓一頭固定在小車架上，另一頭游動。起吊載荷過程中，減速器與小車架呈剛性聯(lián)接，但由于其剛度不同，所以殼體上內(nèi)力分布并不均勻，主要表現(xiàn)為輸出軸承座正下方呈擠壓應(yīng)力狀態(tài)。
小車架，減速器上下殼體均為鋼板焊接而成，小車架為箱形框架梁，腹板和上下蓋板以及減速器下殼體用槽鋼和鋼板進(jìn)行了加強(qiáng)，小車架上部承受起吊小車及設(shè)備重量，下部通過兩邊的車輪與軌道接觸。這樣，小車架梁的內(nèi)力大多為復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，既承受彎曲，扭轉(zhuǎn)，又承受外力作用的局部壓力。減速器下殼體承受著全部減速器自重以及同時將減速器上承受的壓力傳遞到小車架上。
本體部分采用能反映平面變形和彎曲變形的殼單元，減速器出軸處為實(shí)體六面體單元，共有13680個節(jié)點(diǎn)，13860個單元，計算規(guī)模為72080個自由度。
4.2計算分析由于鋼板多為復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，在額定載荷下用第四強(qiáng)度理論等效應(yīng)力云圖計算各部位變形規(guī)律。
小車架以及減速器下殼體最大應(yīng)力均小于材料屈服極限，具有足夠的安全系數(shù)。小車架以及減速器下殼體應(yīng)力集中處區(qū)域很小，即使有很大的沖擊載荷作用使局部屈服，高應(yīng)力區(qū)域?qū)㈦S著擴(kuò)大，小車架及減速器下殼體承載能力也會相應(yīng)增強(qiáng)，所以，從靜強(qiáng)度破壞的角度來看，這一類型的應(yīng)力影響較小，遠(yuǎn)小于材料屈服極限。
通過有限元模擬分析，可以計算出在工作載荷作用下時，減速器中心的最大垂直位移為0.033 mm，水平方向位移為0.0018μm.這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)影響不到電機(jī)軸上兩個齒輪間的嚙合精度。
4.3減速器及小車架變形試驗檢測及分析試驗檢測在實(shí)際的生產(chǎn)情況下進(jìn)行。在加載為額定載荷時，穩(wěn)定情況下檢測減速器兩輸出軸間的位移和小車架梁的強(qiáng)度和撓度；在加載0.8倍額定載荷時，載荷以最大速度起升時，檢測減速器的振動情況。檢測后對結(jié)果進(jìn)行處理分析如下：1）速器外觀質(zhì)量現(xiàn)狀良好。運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，箱體嚴(yán)格密封，防塵，潤滑條件好，殼體具有足夠的強(qiáng)度和剛度。
2）減速器兩輸出軸的位移很小。正常工作情況下最大為0.09mm，比理論計算值0.066mm稍大。結(jié)合小車架的下?lián)锨闆r分析，可以看出小車架的變形基本不影響減速器兩輸出軸的位移。
3）小車架梁最大下?lián)蠟閒=3.2mm，與理論計算值相比f<4.14mm，滿足設(shè)計要求。小車架梁最大應(yīng)力為σ=13.2MPa，按照線性關(guān)系計算，可得出在滿載時最大應(yīng)力σmax=16.1MPa，與理論計算值相比，遠(yuǎn)小于σ=98MPa，可見有足夠的安全裕度。
4）減速器輸入軸最大振動加速度為0.18g（測量間接值）；輸出軸最大振動加速度為0.20g，最大振幅為65μm.振動加速度很小，振幅滿足標(biāo)準(zhǔn)小于80μm的要求，說明該減速器各級傳動靈活，齒輪嚙合正常。初步可以認(rèn)定該減速器機(jī)體剛度設(shè)計合理，小車架剛度可行時，這種傳動方式中減速器中心距雖然發(fā)生變化，但并沒有影響到兩個同步齒輪間的嚙合精度。
5結(jié)論
單減速器卷筒在外的布置型式，軸向結(jié)構(gòu)尺寸小于品字型三減速器傳動方式，吊點(diǎn)距方向結(jié)構(gòu)尺寸小于兩個卷筒放在減速器中間的布置型式，同時取消了常用的行星或棘齒輪機(jī)構(gòu)，直接通過兩高速級之間的同步齒輪來實(shí)現(xiàn)兩卷筒之間的同步動作。這種結(jié)構(gòu)的使用大大降低了制造成本以及傳動鏈的傳動環(huán)節(jié)，同時直接減小了整車極限尺寸。
經(jīng)過有限元分析計算和變形試驗檢測可知：該起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)傳動方式設(shè)計合理可行；在該設(shè)計結(jié)構(gòu)型式下，小車架的變形對齒輪嚙合精度并未造成質(zhì)的影響和產(chǎn)生振動。同時由于減速器機(jī)座剛度的合理設(shè)計，減小了小車架的變形量，提高了小車架的使用壽命。
