Integrated Planetary Gearboxes for Hoisting Winches in Shipboard Cranes

Filipenkov A.L., Pshizov A.K.

Abstract


The constructions of planetary gearboxes for hoisting winches of shipboard cranes which were made according to the differential closed scheme are described. Each gearbox is a separately assembled unit and it is built-in into a winch’s drum. Designing different variants of construction is based on load conditions analysis caused by dynamic loads in drum type cement mills and also based on researches of load bearing capacity, satellites’ support and regularity of load distribution between bearing elements of a planetary gear. The construction of the designed gearboxes is based on the planetary gear type A. The choice of these gears is due to necessity to meet the demanded weight and size characteristics and to implement kinematic characteristics of the drive unit. The gear ratio in some variants is implemented by combination of types of gearing: one stage is a cylindrical gear and several stages are planetary. In one case when a high speed stage is a cylindrical gear, the drive is operated from two hydro motors, in the second one - from eight. The feature of the second variant is the necessity to place eight hydro motors in a circle about the main axis of gearbox meeting the required diametric size and required characteristics of endurance of gears. The high speed shaft rotation frequency is approximately 10000 Rpm. We designed the constructions where we provided the possibility to decrease the size of the gearbox in the axial dimension. We decided not to use the spherical roller bearings in satellites’ supports. The bearing is mounted on the carrier of the last stage of the gearbox. This bearing takes the radial load from the cable of the winch. The obtained result fully meets technical requirements.

Keywords


planetary gear; differentially locked scheme; gearbox; hoisting winch; satellite

Full Text

Введение В рамках реализации программы импортозамещения в России на ОАО «ЗАРЕМ» поступил заказ на проектирование и изготовление планетарных редукторов для судовых кранов. Как правило, в судовых механизмах всегда идет жесткая борьба за вес. Из всех видов механических передач этому требованию лучше всего удовлетворяют планетарные передачи [1]. Это связано с использованием эффекта многопоточности. Существует несколько типов планетарных передач, но наибольшее распространение получили передачи, проектируемые на базе механизма А [2]. Такие передачи отличаются малыми массой и габаритами, а также сравнительной простотой проектирования, изготовления и сборки. Наряду с этим планетарные передачи отличаются высокой надежностью, малыми потерями на трение, составляющими в авиационных и судовых приводах ≈ 1 % при одной ступени и существенно лучшими, чем в других передачах, виброакустическими свойствами [3]. Анализ технических заданий Проектированию подлежат редукторы для трех типоразмеров кранов: 15, 120 и 2500. Для каждого типоразмера крана отдельно разрабатывается редуктор тяговой лебедки. Планетарный редуктор выполняется по дифференциально замкнутой схеме. Встраиваемый редуктор крепится к соединительному фланцу, приваренному к внутренней поверхности обечайки. Передача вращающего момента на барабан лебедки осуществляется через стыковочный фланец. Внутри корпуса редуктора должна размещаться опора вращающегося барабана. Радиальная и осевая нагрузки, действующие на фиксирующую опору барабана, через корпус редуктора передаются на опорную стойку рамы. Заданием предусматривается фланцевое крепление редуктора к опорной стойке. Вторая опора барабана размещается в отдельной стойке и является плавающей (не фиксирующей барабан в осевом направлении). Рама с двумя опорными стойками представляет собой сборную металлоконструкцию, предназначенную для сборки в единый узел всех составных элементов грузовой лебедки и восприятия внешних нагрузок. Осуществление привода на редукторы, встраиваемые в барабаны, производится для типоразмера 15 от одного гидромотора, для типоразмера 120 - от восьми гидромоторов и для типоразмера 2500 - от двух гидромоторов. В связи с этим кинематическое исполнение и число планетарных рядов для этих приводов отличаются друг от друга. Конструктивные решения Необходимым условием для рационального использования возможностей планетарной передачи в отношении габаритных размеров и массы является обеспечение удовлетворительного распределения нагрузки между сателлитами и по ширине зубчатых венцов зубчатых колес. Одним из наиболее распространенных способов является использование плавающих (безопорных) звеньев. Этот конструктивный прием позволяет обеспечить удовлетворительное распределение нагрузки без предъявления повышенных требований к точности и жесткости элементов передачи и ее загруженности [4]. Для создания эффекта «плавания» обычно используют зубчатые муфты. В многоступенчатых редукторах следует стремиться (без ущерба надежности) к минимизации числа опор и соединительных муфт плавающих звеньев [5]. Для проектирования передач, встроенных в барабан, выбрана схема дифференциально замкнутой передачи. Расчетом установлено, что для типоразмера 15 передаточное отношение редуктора обеспечивается с помощью трех планетарных рядов (рис. 1). Показано, что момент от гидромотора на входной вал передается через шлицевую втулку, которая запрессована непосредственно в быстроходный вал редуктора. Такой конструктивный прием способствует уменьшению осевого габаритного размера редуктора. Очевидно, что при осуществлении вращения от нескольких электро- или гидромоторов возможность применения запрессованной шлицевой втулки снижается. E:\Ижевск 2017\Статья\Рисунки\С-15.00.000_чертёж редуктора для паспорта(111).tiff Рис. 1. Планетарный редуктор типоразмера 15, выполненный по схеме Для типоразмера 120 заданное передаточное отношение обеспечивается с помощью быстроходной ступени с цилиндрическими колесами, которая позволяет суммировать моменты от восьми гидромоторов и двух планетарных рядов (рис. 2). В качестве ХТО зубчатых колес быстроходной цилиндрической передачи применяется азотирование. Заданием предусмотрено, что частота вращения гидромоторов может достигать 10000…11000 об/мин., поэтому при проектировании необходимо учитывать этот фактор для рациональной подборки подшипников. Для типоразмера 2500 передаточное отношение реализуется с помощью быстроходной ступени с цилиндрическими колесами, через которую осуществляется суммирование моментов от двух гидромоторов и трех планетарных рядов (рис. 3). E:\Ижевск 2017\Статья\Рисунки\С120.06.04.000_чертёж для паспорта123.tiff Рис. 2. Планетарный редуктор типоразмера 120, выполненный по схеме E:\Ижевск 2017\Статья\Рисунки\С2500.06.04.000_чертёж для паспорта(111).tiff Рис. 3. Планетарный редуктор типоразмера 2500, выполненный по схеме Звено дифференциала, связанное с входным валом, имеет дополнительное обозначение g. Вал, на котором суммируются потоки мощности, разделяемые дифференциалом, принято обозначать символом d. В соответствии с этим правилом в рассматриваемой схеме колесо a3, связанное с выходным валом быстроходной ступени, имеет дополнительное обозначение g, а барабан, с которым связаны колеса b1, b2 и водило h3, имеет обозначение d. При вычислениях передаточных отношений передачи типа А используют кинематический параметр, который представляет собой отношение чисел зубьев центральных колес с внутренними (zbi) и внешними зубьями (zai): Передаточное отношение планетарного редуктора, схема которого приведена на рис. 3, вычислено в соответствии с общим правилом перемещения индексов, приведенном в справочной литературе: где - передаточное отношение планетарной передачи с последовательным соединением ступеней при невращающихся центральных колесах b1, b2 и невращающемся водиле h3. Передаточное число дифференциально замкнутой передачи является числом положительным, и поэтому направление вращения вала g совпадает с направлением вращения выходного вала d, который связан с барабаном. Общее передаточное отношение представляет собой произведение передаточного отношения быстроходной цилиндрической передачи и дифференциально замкнутой передачи: Передаточное число цилиндрической быстроходной ступени является отрицательным, и поэтому общее передаточное отношение редуктора является отрицательным. Из этого следует, что направление вращения входного вала, связанного с гидромотором, противоположно направлению вращения барабана. По техническому заданию было ограничение по максимальному диаметру тихоходной ступени, поэтому было принято решение перейти на nw = 4. По рекомендациям работы [6] отказались от применения сферических подшипников во избежание образования концентрации нагрузки у какого-либо из торцов зацеплений a-g. Из рис. 1, 2 и 3 видно, что на каждом редукторе на водиле тихоходной ступени установлен радиальный шариковый подшипник. В этом месте желательно применение подшипников средней серии и выше. Такая опора воспринимает радиальную нагрузку от сил натяжения троса барабана, поэтому ее можно считать второй опорой барабана. Использование этих подшипников в качестве второй опоры барабана усложняет их расчетную схему, но способствует существенному снижению габаритного размера редуктора в осевом направлении. В условиях экономии места на палубе судна снижение габаритных размеров может иметь ключевую роль при проектировании. Очевидно, что с уменьшением габаритов редуктора снижается и его масса, что тоже имеет очень важную роль в судостроении. Все спроектированные редукторы изготовлены на ОАО «ЗАРЕМ» и успешно прошли приемно-сдаточные испытания.

Galleys

PDF (Русский)
References References

Кудрявцев В. Н. Планетарные передачи. - М. : Машиностроение, 1966.

Планетарные передачи : справочник / В. Н. Кудрявцев, Ю. Н. Кирдяшев, Е. Г. Гинсбург, Ю. А. Державец, А. Н. Иванов, Е. С. Кисточкин, И. С. Кузьмин, А. Л. Филиппенков ; под ред. В. Н. Кудрявцева и Ю. Н. Кирдяшева. - Ленинград : Машиностроение, 1977.

Кудрявцев В. Н. Указ. соч.

Курсовое проектирование деталей машин / под редакцией В. Н. Кудрявцева. - Л. : Машиностроение, Ленинградское отделение, 1983 г.

Там же.

Филипенков А. Л., Пшизов А. К. Влияние трения в сферическом подшипнике сателлита на распределение нагрузки по ширине зубчатых венцов планетарных передач // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2015. - № 12. - С. 10-21.




DOI: http://dx.doi.org/10.22213/2413-1172-2017-2-90-93

Article Metrics

Metrics Loading ...

Metrics powered by PLOS ALM


Copyright (c) 2017 Bulletin of Kalashnikov ISTU

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.


ISSN 1813-7903 (Print)
ISSN 2413-1172 (Online)