从液压马达到链轮——履带驱动行星齿轮箱如何驱动挖掘机
每台液压挖掘机的动力路径都遵循相同的顺序：柴油发动机驱动可变排量液压泵，液压泵将油液输送至方向控制阀，方向控制阀将油液导向安装在底盘上的行走马达，行走马达以2000至3500转/分的转速旋转，扭矩为200至800牛·米。这样的马达扭矩远远不足以驱动一台重达数吨的机器在泥泞中穿行。 履带驱动行星齿轮箱 填补空白。
行星齿轮系安装在链轮毂内（通常直径为 400 至 600 毫米），可将电机转速降低 40 至 120 倍，同时将扭矩以相同的比例放大。例如，一台在 3000 转/分时输出 500 牛·米扭矩的电机，经过 80:1 的两级行星减速后，扭矩可降至 37 转/分时的 40000 牛·米。这 40000 牛·米的扭矩驱动驱动链轮旋转，链轮带动履带链条啮合，履带链条推动地面，从而带动整台机器前进。
为什么选择行星齿轮而不是正齿轮或蜗轮？原因在于空间。履带驱动装置必须安装在链轮轮毂内。行星齿轮机构将负载分配到三个或四个同时啮合的行星齿轮上，从而提供所有齿轮结构中最高的扭矩密度（牛顿米/千克）。一个 80:1 的正齿轮传动装置需要四级，体积是行星齿轮的 3 到 4 倍。而一个 80:1 的蜗轮蜗杆传动装置会以热能的形式损失 40% 的输入功率。行星齿轮机构只需两级或三级即可实现相同的传动比，效率高达 94 到 97%，并且其壳体可以直接螺栓固定在底盘框架上。
典型的挖掘机履带驱动：液压马达用螺栓固定在顶部；行星减速器位于壳体内；输出轴驱动链轮轮毂。
反向旋转——定义挖掘机履带驱动工程的载荷工况
所有履带式机械——推土机、履带起重机、小型装载机——都使用履带驱动。但只有挖掘机经常需要两个驱动轮同时以全扭矩反向运转。这种反向旋转操作使机器原地旋转：操作员命令左侧履带前进，右侧履带后退，挖掘机便在其履带范围内旋转。
从机械角度来看，反向旋转会对履带驱动行星齿轮箱造成最严苛的载荷条件：
在枢轴旋转过程中，机器保持静止——没有惯性辅助旋转。每个行走马达都达到其最大压力（堵转扭矩），行星齿轮箱在整个旋转过程中持续将此峰值负载传递给链轮。
每个行星齿轮的齿在前进时受力于一侧，在后退时受力于另一侧。在机器15年的使用寿命中，每班次300次旋转，每年300个班次，齿轮将承受135万次完整的双向载荷转换。
行星齿轮销轴承在每个枢轴处都会经历径向载荷方向的完全反转。轴承滚子必须在滚道的另一侧重新建立接触区域——这种疲劳工况是单向驱动中的滚针轴承永远不会遇到的。
突然的扭矩反转会使内部油液对一侧密封唇施加压力，然后在几毫秒内将压力反转到另一侧。设计用于单向旋转的密封件会在挖掘机使用几个月后出现漏油现象。
工程意义： 额定单向连续工作扭矩为 40,000 Nm 的履带驱动装置（适用于输送机、绞车或轮式驱动）如果未经过相同扭矩下双向疲劳的行星齿轮弯曲分析验证，则在挖掘机应用中会过早失效。挖掘机的反向旋转工况会施加其他履带式机械应用在相同频率下所不具备的载荷。
根据挖掘机重量等级选择履带驱动装置——扭矩、速度、传动比和爬坡能力
挖掘机的履带驱动规格主要取决于机器的作业重量——作业重量决定了爬坡所需的扭矩以及反向旋转时产生的扭矩。下表列出了五种标准挖掘机重量等级及其对应的履带驱动参数。
| 重量级 | 机器（吨） | 输出扭矩（牛米） | 旅行速度 | 比率范围 | 阶段 | 可分级性 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 小型的 | 1.5 – 8 | 5,000 – 15,000 | 2.5 – 4.5 公里/小时 | 40 – 65:1 | 2 | 30 – 35% |
| 小的 | 8 – 15 | 15,000 – 28,000 | 3.0 – 5.0 公里/小时 | 55 – 80:1 | 2 – 3 | 30 – 35% |
| 中等的 | 15 – 30 | 28,000 – 50,000 | 3.5 – 5.5 公里/小时 | 65 – 90:1 | 2 – 3 | 30 – 35% |
| 大的 | 30 – 50 | 50,000 – 80,000 | 3.5 – 5.5 公里/小时 | 75 – 100:1 | 3 | 25 – 30% |
| 矿业 | 50 – 90 | 8万至14万 | 3.0 – 4.5 公里/小时 | 90 – 120:1 | 3 | 20 – 25% |
爬坡能力是指挖掘机在工作重量下不发生履带打滑所能爬上的最大坡度。实际爬坡能力受以下两个限制因素中较低者的限制：变速箱可用扭矩或履带与地面之间的摩擦系数（通常在粘土上为 0.5 – 0.7，在碎石上为 0.8 – 1.0）。
爬坡能力计算——35吨挖掘机履带驱动装置的尺寸选择
以下示例演示了中型挖掘机的完整扭矩选型过程。每位原始设备制造商 (OEM) 设计工程师和车队经理在指定替换履带驱动装置之前都应该核实此计算过程——然而，他们往往为了直接匹配 OEM 零件编号而忽略此计算步骤。
如果没有SF=2.0的乘数，工程师会指定一个额定扭矩为17,365 Nm的齿轮箱——该齿轮箱属于20,000 Nm级别的产品。在第一班反向旋转工作期间，实际扭矩峰值达到35,000 Nm（双向电机满载扭矩）。齿轮箱在每个枢轴点都以额定容量的175%运行。经过数千次这样的循环后，行星齿轮的齿面开始出现疲劳，齿隙增大，机器在直线运动过程中开始向一侧偏移。这种故障模式通常在3,000到5,000小时之间出现——远低于10,000小时的目标寿命。
双速行驶——为什么大多数8吨以上的挖掘机履带驱动都配备高/低速档
单速履带驱动面临一个根本性的权衡：高减速比可提供爬坡和反向旋转所需的最大扭矩，但限制了最高行驶速度；而低减速比可提供更快的行驶速度，但无法产生平地作业所需的扭矩。大多数8吨以上的挖掘机通过在行星齿轮箱壳体内直接集成双速机构来解决这个问题。
传动比 80 – 120:1。最大输出扭矩。适用于爬坡、反向旋转以及在松软或松散的地面上作业。行驶速度通常为 2.5 – 3.5 公里/小时。这是挖掘机在挖掘作业期间使用的档位——铲斗循环之间进行短距离、低速的重新定位运动。
传动比 40-60:1。扭矩降低，但链轮转速更高。用于在平坦路面上往返于各个工作点之间——例如从施工现场的一端到另一端。行驶速度通常为 4.5-5.5 公里/小时。当行走马达压力超过阈值时，自动降档阀会切换至低速档，从而保护变速箱免受扭矩过载的影响。
这种双速机构的工作原理是通过行星齿轮箱内的液压活塞来移动太阳轮组，从而接合高速比或低速比齿轮系。这种集成式变速功能是履带驱动独有的。 回转驱动行星齿轮箱 对于挖掘机上部结构的旋转，由于回转速度要求不会随地形变化，因此以单一固定比率运行，履带驱动必须在同一班次内适应两种根本不同的操作模式。
底盘密封——为什么挖掘机履带驱动密封件比任何其他变速箱应用都更为关键
挖掘机履带驱动装置的工作环境比任何行星齿轮箱都更为恶劣。链轮轮毂位于地面，在机器的整个使用寿命期间，部分或全部浸没在泥浆、水、沙和磨蚀性浆液中。没有任何其他齿轮箱应用会面临如此持续浸没和高扭矩双向旋转的双重挑战。
履带驱动独有的金属对金属端面密封。两个经研磨至光学级平整度（0.3-0.9 光带）的硬化钢环，通过弹性体 O 形圈压紧。密封件随链轮旋转，同时保持与固定壳体端面的接触压力。这种设计能够承受完全浸入磨蚀性浆料中——任何弹性体唇形密封件都无法在这种环境下承受超过几百小时的磨损。
与密封润滑脂式精密齿轮箱不同，挖掘机履带驱动装置采用油浴润滑——通常使用1.5至4.0升75W-90或80W-90 GL-5齿轮油。这种油同时起到润滑和冷却作用。换油周期：1000至2000小时或每年一次。每次换油时，应检查排出的油液中是否存在水（呈乳白色）和金属颗粒（轴承或齿轮磨损的迹象）。
热循环——从清晨的冷启动到重载运行时的 80-100 摄氏度——会导致内部压力变化。呼吸器或压力补偿阀可防止预热过程中密封件爆裂，以及冷却过程中真空引起的污染物进入。在任何安装方向上，呼吸器的位置都应高于最高油位，以防止漏油。
导致挖掘机履带驱动装置更换次数达 80% 的三种故障模式
密封件表面磨损或损坏、安装张力不当，或岩石和碎屑的冲击都会导致地下水和泥浆渗入油浴中。水会使齿轮油乳化（放油塞处呈乳白色），破坏润滑油膜，并引发轴承表面腐蚀。进水后 500 至 1500 小时内，轴承就会发生剥落。
尺寸过小的履带驱动装置（设计时未考虑双向载荷的使用系数）会导致行星齿轮销上的滚针轴承加速疲劳。轴承在每次反向旋转枢轴处都会承受完全的径向载荷反转。症状包括行驶噪音增大、油样中出现金属颗粒以及链轮轮毂间隙增大。
履带板之间的泥浆堆积会使履带的有效张力比设计值增加 20 – 40%。链轮必须施加更大的拉力才能啮合每个履带板，从而在链轮齿啮合频率下对环形齿轮齿产生脉动过载。在粘土条件下运行数月后，环形齿轮齿面上会出现明显的点蚀。
韩国永力行星齿轮箱产品线，适用于挖掘机
挖掘机履带驱动行星齿轮箱——常见问题解答
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编辑：Cxm
