跨運(yùn)車行走用輪邊減速器設(shè)計(jì)

裴寶仁 朱昌彪

上海振華重工集團(tuán)股份有限公司

1 引言

跨運(yùn)車是一種在集裝箱碼頭前沿和堆場(chǎng)之間搬運(yùn)并堆碼集裝箱的多用途機(jī)械，具有機(jī)動(dòng)靈活、取箱對(duì)位快、裝卸效率高等特點(diǎn)。隨著自動(dòng)化碼頭的發(fā)展，智能、無人駕駛跨運(yùn)車成為發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)無人駕駛跨運(yùn)車，不僅要求有高可靠的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)能力，還要有高可靠的制動(dòng)能力，保證跨運(yùn)車的安全運(yùn)行、精確定位及快速維護(hù)。本文介紹的這種跨運(yùn)車用輪邊驅(qū)動(dòng)減速器，由兩級(jí)輪星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和多片液壓濕式制動(dòng)器組成(見圖1)[1]。該設(shè)計(jì)充分利用輪轂本身空間，將減速器嵌入輪轂內(nèi)；利用永磁電機(jī)體積小的特點(diǎn)，將減速器與永磁電機(jī)直接相連，完成同軸式輸入和輸出，結(jié)構(gòu)非常緊湊。該減速器在傳遞動(dòng)力的同時(shí)，還具有快速行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)功能，并承擔(dān)整個(gè)起重機(jī)及貨物重量。

1.支腿 2.電機(jī) 3.減速器 4.輪胎 5.輪轂圖1 輪邊驅(qū)動(dòng)減速器結(jié)構(gòu)

2 減速器設(shè)計(jì)條件

跨運(yùn)車用輪邊驅(qū)動(dòng)減速器設(shè)計(jì)條件如下。

(1)輪壓：滿載時(shí)15 t，空載時(shí)8.75 t。

(2)大車行走速度V=24 km/h。

(3)電機(jī)功率P=72 kW。

(4)電機(jī)轉(zhuǎn)速n=2 600 r/min。

(5)制動(dòng)器制動(dòng)力矩：行車制動(dòng)力矩M=35 kNm；駐車制動(dòng)力矩Mz=32 kNm。

(6)輪胎直徑D=1 430 mm。

3 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用二級(jí)行星齒輪傳動(dòng)，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、輸入輸出同軸性好等特點(diǎn)[2]。二級(jí)行星傳動(dòng)均采用內(nèi)齒圈固定，行星架輸出形式，第二級(jí)太陽輪與第一級(jí)行星架連接，且為全浮動(dòng)設(shè)計(jì)，提高齒輪傳動(dòng)均載效果；第二級(jí)行星架與輪轂連接，完成速度及動(dòng)力傳遞(見圖2)。

1.第一級(jí)行星 2.支撐軸 3.第二級(jí)行星圖2 二級(jí)行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

3.1 齒輪參數(shù)計(jì)算

減速器速比：

通過試配法進(jìn)行配齒，在滿足行星齒輪傳動(dòng)裝配條件和鄰接條件時(shí)，要充分考慮減速器與輪轂裝配空間，齒輪參數(shù)見表1。

3.2 齒輪校核

3.2.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)赫茲應(yīng)力對(duì)齒輪進(jìn)行了齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算。赫茲應(yīng)力計(jì)算公式為：

(1)

式中，T為扭矩，Nmm。

計(jì)算結(jié)果需滿足：

(2)

式中，Ka為應(yīng)用系數(shù)，取1.25；[σH]為齒輪許用接觸應(yīng)力，為1 500 MPa。

3.2.2 齒根彎曲應(yīng)力校核

齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算公式為：

(3)

計(jì)算結(jié)果需滿足：

(4)

式中，[σF]為齒輪許用彎曲應(yīng)力，為450 MPa；KR=0.7，為齒輪往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，二級(jí)行星齒輪傳動(dòng)中，各齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 齒輪傳動(dòng)參數(shù)

4 制動(dòng)器設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 制動(dòng)器設(shè)計(jì)

隨著工程機(jī)械向大型化、自動(dòng)化方向發(fā)展，對(duì)控制裝置的操縱性、穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求越來越高。而傳統(tǒng)的鼓式制動(dòng)器、鉗盤式制動(dòng)器等干式制動(dòng)器，將越來越難以滿足各類大型工程機(jī)械的制動(dòng)要求。液壓濕式制動(dòng)器憑借其制動(dòng)平穩(wěn)、制動(dòng)力矩大、散熱性好、故障率低、使用壽命長(zhǎng)等多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)各類機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行性能與生產(chǎn)效率都有著明顯的提升。為提高跨運(yùn)車運(yùn)行性能和生產(chǎn)率，本項(xiàng)目采用的是封閉多盤濕式制動(dòng)器[3]。

1.油缸 2.行車制動(dòng)活塞 3.回接彈簧 4.摩擦片 5.靜摩擦盤 6.駐車活塞 7.碟簧 8.傳動(dòng)轂圖3 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

一般驅(qū)動(dòng)橋等輪邊制動(dòng)器均為獨(dú)立設(shè)計(jì)，在本設(shè)計(jì)中制動(dòng)器與減速器融為一體，制動(dòng)油缸、液壓油路均設(shè)計(jì)在支撐軸上。制動(dòng)器靜摩擦盤以花鍵形式固定在制動(dòng)器缸體內(nèi)，摩擦片隨傳動(dòng)轂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)(見圖3)。行車制動(dòng)采用液壓活塞施加壓力，卸壓后，回拉彈簧將活塞拉回原位。駐車制動(dòng)采用碟形彈簧進(jìn)行施壓制動(dòng)。當(dāng)行車制動(dòng)閥門關(guān)閉時(shí)，液壓泵將油打入駐車油缸，通過駐車油缸活塞壓縮駐車碟形彈簧，摩擦片松散，跨運(yùn)車在行駛狀態(tài)；當(dāng)油泵將油同時(shí)打入行車油缸和駐車油缸時(shí)，行車油缸活塞壓緊摩擦片，完成行車制動(dòng)；當(dāng)行車制動(dòng)、駐車制動(dòng)閥門均關(guān)閉時(shí)，駐車蝶形彈簧釋放并壓緊摩擦片，跨運(yùn)車處于停車狀態(tài)。本設(shè)計(jì)充分利用支撐軸與輪轂之間的空隙，增大摩擦片有效摩擦面積，提高制動(dòng)能力。

4.2 行車制動(dòng)計(jì)算

一對(duì)摩擦片摩擦力矩：

(5)

式中，M為制動(dòng)力矩，取35 000 Nm(設(shè)計(jì)條件給出)；k為折減系數(shù)，取0.95；n為磨擦面數(shù)，n=S+N-1，其中動(dòng)摩擦片數(shù)S=6，靜摩擦盤數(shù)N=7。

摩擦片圓環(huán)面上的單位壓力：

(6)

式中，f為摩擦系數(shù)，取0.13；D為制動(dòng)盤襯面外徑，440 mm；d為制動(dòng)盤襯面內(nèi)徑，325 mm。

制動(dòng)缸活塞軸向推力：

(7)

液壓系統(tǒng)壓力:

(8)

式中，D1為制動(dòng)缸活塞外徑，445 mm；d1為制動(dòng)缸活塞內(nèi)徑，345 mm。

油缸設(shè)計(jì)最大工作壓力為14 MPa，液壓系統(tǒng)滿足要求。

4.3 駐車制動(dòng)計(jì)算

駐車制動(dòng)采用碟簧施壓磨擦片，彈簧總壓力Fz計(jì)算如下：

(9)

式中，Mz為額定駐車制動(dòng)力矩(設(shè)計(jì)條件)，32 000 Nm；n為摩擦面數(shù)，12。

本設(shè)計(jì)采用20組摩擦片，每組設(shè)有18個(gè)碟簧，單個(gè)碟簧額定載荷為12 kN,彈簧總壓力F0為240 kN，F(xiàn)0≥FZ，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 支撐軸計(jì)算

5.1 支撐軸強(qiáng)度校核

減速器支撐軸受力主要來自輪胎與地面的壓力(輪壓)，但支撐軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軸截面變徑比較大(見圖4)，存在較高的應(yīng)力集中[4]。

圖4 支撐軸結(jié)構(gòu)圖

支撐軸最大應(yīng)力σmax計(jì)算方法如下：

(10)

式中，h為軸臺(tái)肩高度差，15 mm；r為臺(tái)肩圓角半徑，2.5 mm；D為計(jì)算軸徑，150 mm；M為彎矩，M=GL，其中輪壓G=15 t，L=98 mm。

Kt為應(yīng)力集中系數(shù)，計(jì)算公式為：

(12)

如圖4所示，當(dāng)2.0≤h/r≤20時(shí)：

(13)

(14)

(15)

(16)

將以上參數(shù)代入式(10)中計(jì)算可得，支撐軸最大應(yīng)力σmax=233.4 MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

5.2 支撐軸承壽命計(jì)算

軸承的運(yùn)行負(fù)荷主要為路面施加車輪的徑向負(fù)荷和軸向負(fù)荷?？邕\(yùn)車作業(yè)時(shí)工況比較復(fù)雜，有直行、轉(zhuǎn)彎、空載、滿載等情況，根據(jù)跨運(yùn)車的工況變化，給出各種工況下載荷譜(見表2)，采用Miner Rule法進(jìn)行軸承壽命計(jì)算。

軸承選用圓錐滾子軸承，型號(hào)32038，規(guī)格：160×240×51。軸承計(jì)算系數(shù)：e=0.46，Y=1.3；軸承額定動(dòng)負(fù)荷：C=429 kN。

表2 跨運(yùn)車行走工況

注：跨運(yùn)車空載轉(zhuǎn)彎時(shí)速度為12 km/h;滿載轉(zhuǎn)彎時(shí)速度為8 km/h。

5.2.1 軸承徑向力計(jì)算

軸承受力見圖5。

圖5 軸承受力圖

軸承徑向力計(jì)算公式：

(17)

FrB=G-FrA

(18)

式中，a=141，b=42。

5.2.2 軸承軸向力計(jì)算

根據(jù)跨運(yùn)車實(shí)際運(yùn)行狀況，理論上只有在跨運(yùn)車轉(zhuǎn)彎時(shí)對(duì)軸承產(chǎn)生軸向力，軸向力見表2。

當(dāng)徑向負(fù)荷作用在單列圓錐滾子軸承時(shí)，負(fù)荷是沿著滾子和滾道接觸面成一角度從一個(gè)滾道傳遞到另一個(gè)滾道，產(chǎn)生內(nèi)部軸向負(fù)荷。在計(jì)算軸承配置時(shí)，此內(nèi)部軸向負(fù)荷必需考慮。軸承的安裝方式及外部軸向力方向不同，其軸承軸向力也不同。本設(shè)計(jì)采用的是2個(gè)錐軸承背對(duì)背安裝，軸承受軸向力計(jì)算如下。

當(dāng)外部軸向力指向A軸承時(shí)：

(19)

FaB=FaA+Ka

(20)

當(dāng)外部軸向力指向B軸承時(shí)：

(21)

FaA=FaB+Ka

(22)

式中，軸承計(jì)算系數(shù)YA=YB=Y。

5.2.3 軸承當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷及壽命計(jì)算

軸承當(dāng)量動(dòng)符合P根據(jù)以下公式計(jì)算：

(23)

軸承在不同工況下運(yùn)行，其當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷依次為P1、P2、P3…，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為n1、n2、n3…，每種工況下軸承壽命為：

(24)

軸承在每種工況下運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間占比t1、t2、t3…，則軸承壽命L為：

(25)

軸承的使用壽命大于50 000 h，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

該跨運(yùn)車用輪邊式驅(qū)動(dòng)減速器設(shè)計(jì)，采用永磁電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)二級(jí)行星齒輪減速器實(shí)現(xiàn)跨運(yùn)車所需的速度、動(dòng)力傳遞及重力支撐；通過對(duì)摩擦片、液壓活塞、蝶形彈簧、回拉彈簧的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了減速器的行車與駐車制動(dòng)功能。該驅(qū)動(dòng)減速器具有定位精度高、可靠性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，有效減輕了跨運(yùn)車重量，使輪胎及減速器更換與維修更方便，減少維修成本，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。