岸橋行星式起升減速器振動(dòng)與溫升試驗(yàn)分析

劉媛媛， 張　氫， 聶飛龍， 秦仙蓉

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 201804)

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岸橋行星式起升減速器振動(dòng)與溫升試驗(yàn)分析

劉媛媛， 張氫， 聶飛龍， 秦仙蓉

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 201804)

摘要：設(shè)計(jì)了行星式起升減速器及基于功率封閉的試驗(yàn)方案，并針對(duì)振動(dòng)和溫升兩大性能，完成了相應(yīng)的試驗(yàn)研究.測得了不同工況組合下行星減速器振動(dòng)加速度，分析其振動(dòng)特性，并綜合評(píng)價(jià)了減速器的傳動(dòng)性能.在不同扭矩和油位下完成了減速器的溫升分布實(shí)測，得到關(guān)鍵部位和潤滑油的溫升，且潤滑油溫升符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定.試驗(yàn)結(jié)果表明，行星式起升減速器的振動(dòng)和溫升性能符合要求.

關(guān)鍵詞：起升機(jī)構(gòu)； 行星減速器； 振動(dòng)； 溫升

岸橋起升機(jī)構(gòu)普遍采用平行軸式減速器來傳遞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)貨物的上升和下降，但平行軸式減速器有著體積大、質(zhì)量重、傳動(dòng)效率低的缺點(diǎn).行星齒輪傳動(dòng)采用多個(gè)行星齒輪同時(shí)傳遞載荷，使功率分流并合理地使用了內(nèi)嚙合，因此具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn).本文將行星傳動(dòng)應(yīng)用到岸橋起升機(jī)構(gòu)中，設(shè)計(jì)行星式起升減速器，使其與電機(jī)相配，實(shí)現(xiàn)起升功能.

但行星結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)、制造和使用維修要求高.特別是在岸橋起升電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速高達(dá)1 000 r·min-1以上的高速行星齒輪傳動(dòng)中，對(duì)均載特性、系統(tǒng)的振動(dòng)特性、零件的制造精度等方面要求更高.同時(shí)行星傳動(dòng)傳遞功率密度高，其能量損失也相應(yīng)較大，使得溫升比常規(guī)平行軸傳動(dòng)高，且結(jié)構(gòu)緊湊體積小，散熱能力有限[1].當(dāng)行星傳動(dòng)應(yīng)用于起升機(jī)構(gòu)，使得起升減速器的振動(dòng)和溫升兩方面的問題尤為突出.因此，對(duì)行星式起升減速器的振動(dòng)和溫升性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，不僅對(duì)岸橋優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義，同時(shí)也是擴(kuò)大行星傳動(dòng)應(yīng)用范圍的重要工作.

目前對(duì)行星齒輪傳動(dòng)有較廣泛的試驗(yàn)研究[2-12].Inalpolat等[5]試驗(yàn)研究了行星齒輪傳動(dòng)中調(diào)制邊帶振動(dòng)特性.肖正明等[6]根據(jù)減速器的模態(tài)試驗(yàn)對(duì)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)行星減速器的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行測試與分析.Hohn等[7]利用熱平衡法分析了減速器、汽車變速箱等的潤滑油溫度變化規(guī)律.馬璇等[8]用熱網(wǎng)絡(luò)法建立了ZD-10減速器齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的熱平衡方程，計(jì)算了齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫度場.Marques等[10]通過試驗(yàn)測得了不同種類潤滑油下齒輪箱的溫度，研究了不同種類潤滑油對(duì)齒輪箱效率的影響.Song等[11]根據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證了交錯(cuò)軸變厚齒輪的動(dòng)力學(xué)建模方法.Helsen等[12]利用動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究減速器內(nèi)外部激勵(lì)與模態(tài)特性之間的相互作用，從而為建立更加準(zhǔn)確的多柔體齒輪箱模型提供依據(jù).

起升減速器的工作工況較為復(fù)雜，經(jīng)歷頻繁的啟停和正反轉(zhuǎn)，且額定轉(zhuǎn)速較高，其振動(dòng)和溫升問題較為突出.因此，為研究岸橋起升機(jī)構(gòu)初次應(yīng)用行星傳動(dòng)后的綜合性能，對(duì)行星式起升減速器進(jìn)行了振動(dòng)和溫升的試驗(yàn)分析.設(shè)計(jì)了行星式起升減速器和封閉功率流的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，在不同工況組合下測得減速器關(guān)鍵位置的振動(dòng)響應(yīng)，并在不同載荷和油位下測量了減速器的溫升過程，綜合評(píng)價(jià)了行星式起升減速器的性能，為岸橋的優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù).

1　功率封閉式試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1行星式起升減速器

行星式起升減速器采用兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)，如圖1所示.額定輸入轉(zhuǎn)速1 000 r·min-1，額定扭矩12 kN·m，傳動(dòng)比23.667.結(jié)構(gòu)形式為太陽輪輸入、行星架輸出、內(nèi)齒圈固定，并用3個(gè)行星輪進(jìn)行均載和分流功率.行星架采用單片結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，且無軸承支承可自由浮動(dòng)，較利于均載；齒輪采用滲碳鋼，滲碳熱處理后磨齒，使得齒輪耐磨損，精度高，可靠性好.

圖1　行星式起升減速器結(jié)構(gòu)簡圖

1.2試驗(yàn)臺(tái)布置

行星式起升減速器的試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)布置如圖2所示.2個(gè)行星減速器平行放置，它們的輸出端通過具有1個(gè)平行軸的輔助減速器1連接；2個(gè)行星減速器的輸入端分別連有1根扭桿，2根扭桿的另一端由輔助減速器2連在一起，形成1個(gè)矩形的動(dòng)力傳輸路徑；電機(jī)與輔助減速器2輸入軸的另一端相連，從而帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn).輔助減速器1和2的傳動(dòng)比均為1，只是傳遞動(dòng)力，并不改變轉(zhuǎn)速和扭矩.只要將扭桿扭過一定角度后連接到試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中，那么試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中各構(gòu)件都將承受到由扭桿轉(zhuǎn)過一定角度所產(chǎn)生的負(fù)載扭矩；然后通過系統(tǒng)中的電機(jī)帶動(dòng)輔助減速器2輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來.整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)可通過扭桿的扭轉(zhuǎn)角度和電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)不同的扭矩和轉(zhuǎn)速工況.

圖2　起升行星減速器試驗(yàn)臺(tái)方案

圖2中的電機(jī)選用YTSZ160M-6型號(hào)的變頻調(diào)速電機(jī)，額定功率為7.5 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 000 r·min-1,可調(diào)轉(zhuǎn)速為0～1 000 r·min-1.為了實(shí)時(shí)監(jiān)測減速器上的負(fù)載扭矩，試驗(yàn)系統(tǒng)還配備了DH5905無線扭矩測試系統(tǒng)，如圖3所示.在一根扭桿中點(diǎn)位置布置應(yīng)變花，應(yīng)變花采用90°應(yīng)變花，其中應(yīng)變花45°方向與扭桿軸線方向平行.

加載過程首先將其中1根扭桿的一端與輔助減速器2斷開，并將輔助減速器2鎖死，使得整個(gè)系統(tǒng)無法進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng).然后利用加載裝置使得扭桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，由扭桿上的無線傳感器讀出扭矩值，要求誤差在正負(fù)10%范圍內(nèi).最后保持扭桿的角度將扭桿再與輔助減速器2相連，并解除鎖死.此時(shí)，扭矩已加入到試驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)中，可通過扭桿轉(zhuǎn)過的角度來控制扭矩的大小.

圖3　無線扭矩測試系統(tǒng)布置圖

2　振動(dòng)測試及分析

2.1測試方案和測點(diǎn)布置

被測行星式起升減速器的額定扭矩為12 kN·m，額定輸入轉(zhuǎn)速為1 000 r·min-1.試驗(yàn)可以測試不同扭矩和速度工況下的振動(dòng)數(shù)據(jù)，考慮到岸橋起升工作中減速器的轉(zhuǎn)速扭矩都有不同程度的變化，這里選取測試工況中扭矩為0、6、12 kN·m，以及輸入轉(zhuǎn)速為200、600、1 000 r·min-1的9組工況進(jìn)行振動(dòng)測試.

行星式起升減速器的測點(diǎn)布置在振動(dòng)較為突出的位置，依次為輸入軸承外側(cè)、第1級(jí)齒圈箱體處、第2級(jí)齒圈箱體處、輸出軸處2個(gè)支承軸承處，各位置的傳感器采用壓電式加速度傳感器.

2.2振動(dòng)數(shù)據(jù)的時(shí)域分析

試驗(yàn)采樣頻率為2 650 Hz，通過扭桿的加載和電機(jī)的調(diào)速，完成不同工況下5個(gè)測點(diǎn)的加速度信號(hào)采集.表1為不同工況下高速級(jí)齒圈處振動(dòng)加速度的均方值.從表中可以得到，隨著輸入轉(zhuǎn)速和扭矩的增加，振動(dòng)加速度的均方值也隨之增大，表明輸入轉(zhuǎn)速和扭矩越大減速器的振動(dòng)也越劇烈，因此下文主要對(duì)最大扭矩和轉(zhuǎn)速額定工況下的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

表1　不同工況下高速級(jí)齒圈處的振動(dòng)加速度均方值

注：T為減速器承受的扭矩.

為分析行星減速器傳動(dòng)的平穩(wěn)性以及是否存在偏載的沖擊成分，在振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)的時(shí)域指標(biāo)中增加了偏斜度和峭度指標(biāo)，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示：

(1)

(2)

表2為額定工況時(shí)測點(diǎn)1～5號(hào)振動(dòng)加速度的時(shí)域統(tǒng)計(jì)值，包括峰值、均方值、偏斜度和峭度指標(biāo).由表中峰值和均方差可知，各測點(diǎn)中低速級(jí)齒圈處振動(dòng)最大、高速級(jí)齒圈處次之，軸承各處的振動(dòng)最小.這主要是由于額定扭矩時(shí)齒輪傳遞的扭矩大，齒圈處的輪齒嚙合力也大，由時(shí)變嚙合剛度產(chǎn)生的振動(dòng)比軸承處的振動(dòng)要大，所以兩齒圈處的振動(dòng)較為明顯.5個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)的偏斜度幾乎為零，振動(dòng)數(shù)據(jù)幾乎上下對(duì)稱，表明減速器安裝無松動(dòng)，制造和安裝的精度較高.同時(shí)峭度指標(biāo)也都約等于3，即振動(dòng)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，無明顯的沖擊，說明減速器的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沒有明顯的偏載情況.

表2　額定工況下各測點(diǎn)的加速度時(shí)域統(tǒng)計(jì)值

2.3振動(dòng)數(shù)據(jù)的頻域分析

圖4和5為額定工況時(shí)輸入軸承處、高速級(jí)齒圈處以及輸出軸承處的振動(dòng)加速度時(shí)域和頻域響應(yīng).各頻譜圖的頻率主要集中在600 Hz以下，頻譜中的主要頻率128 Hz和192 Hz在低速級(jí)嚙合頻率64 Hz和其倍頻附近，圖中302.65 Hz是高速級(jí)的嚙合頻率，407.7 Hz為減速器的結(jié)構(gòu)頻率.這些頻率的出現(xiàn)體現(xiàn)了嚙合剛度系統(tǒng)的周期激勵(lì).從頻譜圖中可以得到，輸入軸承處的最大振動(dòng)頻率為407.7 Hz，表明此處剛度大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)頻率對(duì)振動(dòng)的貢獻(xiàn)較大；齒圈與輸出軸承處的最大振動(dòng)頻率為302.65 Hz，系統(tǒng)特征頻率成分對(duì)振動(dòng)貢獻(xiàn)較大.而2個(gè)軸承處的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率成分不明顯，說明軸承支承剛度對(duì)齒輪系統(tǒng)的激勵(lì)較小.

同時(shí)各頻譜圖中的振動(dòng)頻率邊頻帶并不明顯，這也說明了行星減速器的制造和裝配的精度高，傳動(dòng)較為平穩(wěn)，無明顯偏載情況.

a 輸入軸承處

b 內(nèi)齒圈處

c 輸出軸承處

a 輸入軸承處

b 內(nèi)齒圈處

c 輸出軸承處

3　溫升測試及分析

3.1測量方法及測點(diǎn)布置

考慮到齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的能量損失分2種：與載荷相關(guān)和與載荷無關(guān).與載荷無關(guān)的功率損失有攪油損失、風(fēng)阻損失和液力損失，其中攪油損失占主要部分.為研究起升齒輪系統(tǒng)溫升和溫度分布的變化，可從載荷和攪油兩方面來分析.選取帶載、空載2種載荷狀態(tài)下，高、中、低3種油位共6組工況進(jìn)行測試.帶載工況取起升減速器的額定輸入扭矩，約525 N·m，轉(zhuǎn)速1 000 r·min-1；空載時(shí)，施加扭矩為零，電機(jī)轉(zhuǎn)速與帶載時(shí)相同.減速器的高、中、低3種油位的油量分別為：中油位的潤滑油體積約為箱體內(nèi)體積的一半，高油位時(shí)則約為內(nèi)體積的70%，低油位時(shí)為20%左右.

為了全面了解起升行星減速器整體溫升情況，在減速器箱體，各級(jí)傳動(dòng)軸的軸承處布置了測點(diǎn).行星減速器共布置4個(gè)測點(diǎn)，如圖6所示，分別為輸入軸承處、齒圈箱體處、輸出軸承處和箱體內(nèi)潤滑油.同時(shí)在測試時(shí)，記錄了試驗(yàn)臺(tái)的初始環(huán)境溫度.在軸承和箱體處的溫度測量采用紅外線測溫儀，距離箱體表面50 mm垂直測量，潤滑油的溫度采用嵌入式溫度傳感器，并可實(shí)時(shí)顯示溫度的變化.

圖6　起升行星減速器溫度測點(diǎn)布置圖

3.2溫升數(shù)據(jù)分析

根據(jù)溫升測試的方案，首先在空載工況下每隔15 min對(duì)各測點(diǎn)的溫度進(jìn)行記錄.圖7a～c分別為輸入軸承、內(nèi)齒圈以及輸出軸承處的溫升在5 h內(nèi)隨時(shí)間的變化.3個(gè)工況下的初始環(huán)境溫度分別為：空載低油位，27.0 °C；空載中油位，26.7 °C；空載高油位，25.6 °C.

由圖7中可知，各測點(diǎn)的溫升隨時(shí)間的變化而增大，開始部分變化較大，后面溫升的變化趨于平緩，說明在5 h之后整個(gè)起升減速器開始趨于熱平衡狀態(tài)，即減速器運(yùn)轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的熱量與向外輻射的熱量達(dá)到平衡，各處的溫度保持基本不變.

從整體的溫升分布來看，輸入軸承處的溫升最大，最高達(dá)到40 °C左右，內(nèi)齒圈處最大約為30 °C，輸出軸承處最大約為25 °C.輸入軸承處的轉(zhuǎn)速較大，因此軸承接觸的摩擦損失較大；而輸出軸承處的轉(zhuǎn)速較小，摩擦損失較小，故溫升相對(duì)最小.內(nèi)齒圈處的溫升是由齒輪嚙合的摩擦損失產(chǎn)生的，行星傳動(dòng)每一級(jí)有多對(duì)齒輪同時(shí)嚙合，因此嚙合損失產(chǎn)生的熱量是不容忽視的.

對(duì)比油位的不同，3個(gè)測點(diǎn)的溫升過程都是高油位最高、中油位其次、低油位最小，這跟攪油損失有直接關(guān)系.高油位時(shí)，攪油損失最大，能量的損失以熱源的形式向外擴(kuò)散，使得各測點(diǎn)的溫升較高.而圖7c中輸出軸承處溫升的初始階段，高油位的溫升小于低油位的溫升，主要是因?yàn)楦哂臀粫r(shí)減速器箱體內(nèi)潤滑油用量多，雖然攪油損失大，但在初始階段的溫升要小，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加逐漸達(dá)到熱平衡，高油位的攪油損失大，溫升要高于低油位的溫升.由此可以說明，行星式起升減速器工作的時(shí)候，尤其是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況下，應(yīng)盡量選擇較低的油位.

同時(shí)在帶載工況下，油位選取為高油位，各測點(diǎn)的溫升變化曲線如圖8a～c.此時(shí)高油位帶載工況的初始環(huán)境溫度為25.8 °C.由圖8可知，空載工況的溫升曲線與有載工況的溫升曲線趨勢相同，但空載各測點(diǎn)的溫升都低于有載工況.在相同的轉(zhuǎn)速下，傳遞的載荷增大也將增大齒輪嚙合和軸承接觸處的摩擦損失，使得這些地方的熱源能量增大，從而引起各測點(diǎn)的溫升將升高.同樣各測點(diǎn)的溫度分布與前文相同，輸入軸承處的溫升最大，齒圈箱體處次之，輸出軸承處最小.

a 輸入軸承處

b 內(nèi)齒圈處

c 輸出軸承處

a 輸入軸承處

b 內(nèi)齒圈處

c 輸出軸承處

為分析減速器達(dá)到熱平衡后的溫度，表3列出了減速器的潤滑油在6個(gè)工況下熱平衡后的溫升.由表可知，帶載工況達(dá)到熱平衡的時(shí)間要大于空載工況，油位對(duì)熱平衡時(shí)間的影響不大.與前面分析的結(jié)論一致，帶載工況的溫升大于空載工況，高油位的溫升最大.6個(gè)工況中，潤滑油達(dá)到平衡后的最高溫度為71.8 °C，低于《齒輪手冊(cè)》中規(guī)定的82 °C，使得潤滑油具有較好的性能，保證了齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的正常工作.

表3　潤滑油熱平衡后的溫升

4　結(jié)論

(1) 在振動(dòng)測試中，隨著輸入轉(zhuǎn)速和扭矩的增加，行星減速器振動(dòng)得越劇烈，各測點(diǎn)中低速級(jí)齒圈處振動(dòng)最大.行星減速器輸入端剛性較大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)頻率處能量較高，輸出端處系統(tǒng)特征頻率處能量也較高.從各測點(diǎn)的振動(dòng)時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征和頻譜圖中可知，行星式起升減速器制造和安裝精度高、傳動(dòng)平穩(wěn)且無明顯偏載情況.

(2) 在溫升測試中，油位的增高和扭矩的增加都將使得減速器整體溫度升高，各測點(diǎn)中，輸入軸承處最高.減速器達(dá)到平衡后的潤滑油最高溫度為71.8 °C，滿足設(shè)計(jì)要求，使得潤滑油具有較好的性能，保證了齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的正常工作.

(3) 試驗(yàn)研究結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的行星式起升減速器的振動(dòng)和溫升性能符合要求，為行星傳動(dòng)應(yīng)用到岸橋起升機(jī)構(gòu)提供了依據(jù).

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收稿日期：2015-07-13

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51205292)；工信部2013智能制造裝備發(fā)展專項(xiàng)([2013]2519)

通訊作者：張氫(1967—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)榻ㄔO(shè)機(jī)械及其關(guān)鍵技術(shù). E-mail:zhqing_tj@126.com

中圖分類號(hào)：TH218

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Experimental Study on Vibration and Temperature Rise of Planetary Gearbox in Hoisting Mechanism of Container Crane

LIU Yuanyuan, ZHANG Qing, NIE Feilong, QIN Xianrong

(School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract：The planetary gearbox applied to the hoisting mechanism and the experimental scheme based on power-closed platform were designed to evaluate the vibration and temperature rise performance of planetary gearbox. The vibration acceleration of planetary gearbox under different working conditions was obtained, and the dynamic characteristics of vibration were analyzed. Then the temperature test was accomplished to gain the temperature rise of critical positions and lubricating oil, and the oil’s temperature accorded with the standards. The experimental results show that the vibration and temperature rise performance of planetary gearbox applied to the hoisting mechanism reaches the requirements.

Key words：hoisting mechanism; planetary gearbox; vibration; temperature rise

第一作者： 劉媛媛(1991—)，女，博士生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué). E-mail:anneliuyuanyuan@gmail.com