用于移动式起重机的轮式行星齿轮箱

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移动式起重机用轮式行星齿轮箱

一台35吨重的越野起重机必须在泥泞和碎石路面上以蟹行般的精准度,将自身定位在距离吊点50毫米的范围内,然后沿着高速公路行驶30公里到达下一个工地。这台起重机的轮式驱动系统在同一天内,通过同一个变速箱,即可完成工地毫米级精准爬行和高速公路行驶的双重任务。

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起重机类型及其轮式驱动要求

移动式起重机的三种用途 轮式驱动行星齿轮箱 对于自行式交通工具——每款产品在工地机动性和公路运输能力之间都有不同的平衡。

类型 重量(吨) 升力(t) 网站速度 道路速度
崎岖地形 (RT) 20–55 15–90 0.5–5 公里/小时 25–35 公里/小时
全地形 (AT) 30–100+ 30–500 0.5–3 公里/小时 60–85 公里/小时
城市/工业区 12–25 8–30 0.5–3 公里/小时 20–30 公里/小时

这款全地形起重机代表了整个轮驱动系列中速度范围最广的机型:从工地缓慢爬行0.5公里/小时到高速公路行驶85公里/小时——速比高达170:1。如此宽广的速度范围无法通过单一的行星齿轮箱速比来实现,它需要一个多速变速箱(通常为6至8个前进挡),并在每个车轮处都配备行星减速器。轮驱动行星齿轮箱提供最终的减速级(通常为15:1至30:1),而变速箱则负责选择极端速度范围。

这款越野起重机优先考虑工地机动性而非公路行驶速度。凭借四轮驱动、四轮转向和蟹行转向功能(横向移动时所有车轮同向转动),RT起重机能够进入车载起重机无法到达的狭窄施工现场空间。其驱动系统必须支持三种转向模式——普通模式(前轮转向)、协调模式(前后轮反向转向以实现急转弯)和蟹行模式(横向移动时所有车轮同向转动)——同时在0.5至2公里/小时的超低定位速度下保持平稳、比例一致的驱动扭矩。

用于移动式起重机作业现场定位的轮式驱动装置

工地定位——在未平整地面上,35吨重量下精度可达50毫米

起重机的定位精度决定了起吊作业的安全性。起重机的定位必须确保吊臂能够在正确的半径范围内触及负载——起重能力会随着半径的增大而降低(例如,一台在3米半径下额定起重能力为50吨的起重机,在18米半径下可能只有10吨的起重能力)。500毫米的定位误差就足以改变有效起吊半径,使其超过预定负载的额定起吊能力——原本安全的起吊作业会变成超载作业。因此,轮式驱动起重机必须在0.5至1.0公里/小时的最终接近速度下,实现±50至100毫米的定位精度——这一精度要求与播种机(WD-09)相当,但其重量却是播种机的3至10倍。

起吊位置的地面通常未经处理,可能是碎石、压实土、草地或建筑工地地面。起重机必须在不下沉(下沉会改变起重机高度,从而影响起重能力图表)且不打滑(打滑会妨碍精确定位)的情况下驶入该地面。 轮驱动行星齿轮箱 必须在 0.5 至 1.0 公里/小时的速度下提供平稳、无顿挫的推进——因为在此速度下任何扭矩脉动都会产生顿挫的前进,使最终定位变得困难,并迫使操作员反复过冲和倒车。

配重(安装在起重机上部结构的5至20吨钢制压载物)使机器重心后移,提高了起吊稳定性,但也使其驾驶操控与传统车辆有所不同。后轴重量分布偏重(后轴55至70吨)意味着前轮牵引力和转向能力下降。在湿滑或松软的路面上,前轮在转弯时可能会侧滑,导致起重机难以精确转向至起吊位置。因此,在松软地面上低速定位时,必须配备独立的车轮电机牵引力控制系统,以降低任何打滑车轮的扭矩,从而保持方向控制。

有些起重机作业需要在吊钩上悬挂重物的情况下行驶——即在重物仍连接在吊钩上的情况下,将起重机短距离移动。这是最危险的起重机作业之一:悬挂的重物如同钟摆,会随着运输车辆的任何加速、减速或方向改变而摆动。在悬挂重物行驶过程中,轮式驱动必须提供完全平稳、无顿挫的推进力——因为任何扭矩脉动都会激发重物的摆动,而摆动的重物可能会使起重机的重心超过倾覆阈值。大多数起重机制造商将悬挂重物行驶的速度限制在 1.0 至 2.0 公里/小时,并完全禁止超过特定负载重量(通常为额定起重能力在工作半径处的 50 至 75%)进行此类作业。

支腿展开过程也涉及车轮驱动。起吊前,起重机伸出支腿(液压支腿,用于加宽支撑底座并将机器重量从轮胎转移到支腿垫上)。展开过程中,机器重量从轮胎转移到支腿——在此过程中,车轮驱动制动器必须保持机器静止。如果制动器过早释放(在支腿完全承重之前),机器在重量转移阶段可能会发生侧滑——尤其是在坡道上,重力会试图推动机器移动。车轮驱动驻车制动器必须保持接合状态,直到收到起重机控制系统发出的支腿展开完成信号——如果支腿压力下降(表明液压泄漏或支腿垫下沉),驻车制动器必须自动重新接合。

ZL01 轮式驱动装置用于起重机定位

公路运输——大多数人从未注意到的公路驾驶

全地形起重机在公共道路上的行驶速度为 60 至 85 公里/小时,是该轮驱动系列中公路行驶速度最高的机型。在此速度下,轮驱动装置如同传统的重型车辆最终驱动装置一样运行,必须满足与卡车车桥相同的噪音、振动、制动和疲劳标准。高速行驶时,齿轮啮合质量必须保证在 7.5 米处测得的噪音低于 80 分贝(dBA),这是大多数地区对重型车辆的监管限值。这一噪音要求使用 DIN 5 至 6 级齿轮,其质量高于大多数工程机械的规格。

高速公路行驶时的制动要求受欧洲ECE R13或北美FMVSS 121标准的约束——这些标准也适用于商用卡车。一台50吨的全地形起重机以80公里/小时的速度行驶时,其动能约为12.3兆焦耳——在紧急制动时,所有动能都必须由轮驱动制动器和发动机缓速器吸收。轮驱动行车制动器必须达到5.0米/秒²或更低的减速度——这意味着起重机必须在49米的距离内,于约4.4秒内从80公里/小时减速至零。这与任何建筑工地或农业应用的制动要求都截然不同——制动盘、卡钳和刹车片的材料必须达到汽车级标准(通风盘、多活塞卡钳、半金属刹车片),而不是越野设备常用的简单湿式盘式或单活塞设计。

AT起重机轮驱动轴承寿命计算必须同时考虑低速高扭矩的工地工况和高速低扭矩的公路工况。公路工况下,高速旋转(变速箱输出端转速为500至800转/分)会产生轴承热量;而工地工况下,高扭矩(转速为2至10转/分)会产生轴承应力。轴承尺寸必须同时考虑这两种工况——这种疲劳和热分析的综合分析比该系列中任何其他轮驱动应用都更为复杂。

AT起重机的多轴配置(4至9轴)将车辆重量分配到8至18个轮胎上,符合道路重量法规,该法规根据不同地区将轴荷限制在10至13吨。每个驱动轴都需要独立的行星齿轮箱,并且所有齿轮箱在相同的输入转速下必须产生相同的输出转速。在高速公路上,如果各轴之间的转速不匹配,会导致轮胎磨损(转速较快的轴会将轮胎压向地面)、油耗增加和轮胎磨损加剧。AT起重机轮式驱动的标准规格是所有轴的输出转速公差为±0.5%,比任何其他多轴应用都更为严格。

605L2 轮式驱动起重机公路运输

风荷载和车轮驱动驻车制动器

架设起臂的移动式起重机具有较大的迎风面积——起臂、副臂、吊钩和配重块的总迎风面积为20至80平方米,具体面积取决于起臂长度和配置。在EN 13000标准规定的20米/秒(72公里/小时)设计风速下,作用于50平方米区域的风力约为12至15千牛,该风力作用于压力中心,压力中心通常位于地面以上10至25米处。该风力会产生120至375千牛米的倾覆力矩,需要支腿和起重机自身重量来抵抗。如果起重机停放在斜坡上且未展开支腿(例如在运输过程中起臂收起),则风力会与重力作用力叠加,此时轮式驱动驻车制动器必须同时抵抗这两种作用力。如果驻车制动器仅按坡度保持能力设计,而没有考虑风荷载,那么在露天场所过夜停车时,突然的阵风可能会超过驻车制动器的保持能力。

因此,移动式起重机的轮式驱动驻车制动器必须能够承受坡度加风速的综合作用:最大额定坡度(通常为 5 至 10%,适用于吊臂收起过夜停放)加上设计风速(根据 EN 13000 标准为 20 米/秒)。这种综合制动要求是仅坡度制动要求的 1.5 至 2.0 倍——即使通过了仅坡度制动测试的制动器尺寸偏小,也可能无法通过综合制动测试,从而可能导致起重机在无人看管的情况下于暴风雨中发生侧翻。

移动式起重机轮式驱动特有的三种故障模式

1
多轴全地形起重机在长下坡路段的高速公路速度制动衰减

一辆全地形起重机以50至70公里/小时的速度下山时,必须持续克服重力来减缓其50至100吨的重量。在5公里、坡度为6%的下坡路段,以60公里/小时的速度行驶,所需的制动能量约为180至360兆焦耳,这些能量会在5分钟内分散到4至5个驱动轴上。如果发动机缓速器和排气制动器不足以提供足够的制动(由于发动机故障或操作员失误),则轮驱动行车制动器将承担全部的制动负荷,并且在连续制动2至3公里后就会达到热衰减温度。起重机在山路上失控是重型车辆事故中最危险的场景之一,因此,综合制动能力(发动机缓速器+排气制动器+行车制动器+紧急/驻车制动器)是至关重要的单一参数。

预防:多轴制动热容量符合 ECE R13 IIA 型(山地下坡)测试标准。发动机缓速器作为主要下坡控制装置。制动温度监测并向驾驶员发出警告。检测到坡度超过 4% 时自动减速。
2
超低作业速度下齿轮啮合齿槽引起的定位过冲

在 0.5 至 1.0 公里/小时的最终定位速度下,轮驱动输出轴的转速为 1 至 3 转/分——此时,每个齿轮啮合都表现为一个明显的旋转步长。对于具有 30 个输出级齿且轮胎滚动半径为 0.8 米的变速箱,每个齿轮啮合会使机器前进约 84 毫米。如果齿槽扭矩变化为平均扭矩的 10%(DIN 8 级齿轮的典型值),则机器将以 84 毫米的步长前进,并伴有明显的加速和减速——这使得操作员无法在 50 毫米的定位范围内停止机器。DIN 6 级齿轮将齿槽扭矩降低到 3% 以下——从而实现平稳、连续的前进,操作员可以将机器定位到 ±25 毫米的范围内。

预防措施:齿轮质量至少达到 DIN 6 级。比例液压控制,带防齿槽补偿功能。蠕行模式,降低电机排量,实现超平稳的最后进近。
3
螃蟹转向侧向载荷会对输出轴承和密封件造成损坏。

在蟹行转向(所有车轮转向相同角度以实现横向移动)过程中,轮胎接地印迹会产生侧向力以及驱动力。该侧向力(在典型的蟹行转向角度 10 至 20 度时,相当于垂直车轮载荷的 15 至 30 吨)通过轮毂传递至车轮驱动输出轴承,形成径向和轴向的组合载荷。标准径向轴承并非设计用于承受持续的轴向载荷——而 50 吨起重机的蟹行转向会产生每个车轮 15 至 40 千牛的轴向力,如果轴承的额定载荷不足以承受这种组合载荷,则可能损坏轴承保持架,并使轴承寿命缩短 30 至 50 吨。对于具备蟹行转向功能的起重机,背靠背布置的圆锥滚子轴承是最低配置要求。

预防措施:采用额定承受径向和轴向组合载荷的圆锥滚子输出轴承。在机器控制系统中设置蟹行转向频率限制。每年对所有转向轴进行轴承间隙测量。

常见问题解答

起重机轮式驱动与其他工程机械驱动有何不同?

一台变速箱即可实现两种极端性能:超低速定位(0.5 公里/小时,精度 ±50 毫米)和高速行驶(最高时速 85 公里/小时,符合 ECE R13 制动标准)。AT 起重机拥有该系列中最宽的变速范围(170:1)。其蟹行转向功能增加了传统转向车辆所不具备的持续轴向轴承载荷。此外,其高速制动要求(80 公里/小时时 12.3 兆焦耳)比该系列其他应用高出 5 至 10 倍。

典型使用寿命是多少?

行星齿轮箱的使用寿命为 8,000 至 15,000 小时,相当于每年 1,000 小时使用 8 至 15 年。刹车片的使用寿命为 3,000 至 6,000 小时,具体取决于公路行驶频率。年度起重机检查(依据 EN 13000 或 ASME B30.5 标准)包括制动性能验证、转向功能测试和轴承间隙测量,所有这些项目都用于评估车轮驱动系统的状况。任何缺陷都会导致起重机无法恢复起重作业,直至维修完成并经验证。起重机检查比高空作业平台检查(依据 EN 280 标准)更为严格,因为起重机在人员和公众上方移动重物,车轮驱动系统故障导致起重机在起吊过程中移动,可能造成重物脱落和人员伤亡。每次年度检查时,起重机检查员都必须能够查阅车轮驱动系统的相关文件(设计计算、材料证书、测试报告)。

典型的齿轮比是多少?

AT型起重机的轮端行星减速比为15:1至30:1(与多速变速箱配合使用,可实现全速范围)。RT型起重机采用静液压驱动,减速比为25:1至50:1(行驶速度较低,变速箱结构更简单)。最终传动比的选择旨在优化高速行驶时的轴承温度和噪音,同时为作业现场定位提供足够的扭矩放大。

韩国永动力公司是否为移动式起重机供应轮式驱动装置?

是的。韩国永力(Ever-Power)生产适用于10,000至60,000牛米扭矩的崎岖地形和全地形移动式起重机的轮式驱动行星齿轮箱。该齿轮箱采用DIN 6级齿轮,确保定位平稳、高速公路行驶静音;输出轴承采用圆锥滚子轴承,可承受蟹行转向时的轴向载荷;配备汽车级通风盘式制动器,确保高速公路紧急制动;并兼容多速变速箱。请提供起重机制造商、型号、最大总重、最高行驶速度和转向模式等信息以进行规格说明。

移动式起重机轮式驱动——定位精准、公路行驶、可实现蟹行转向

韩国永力动力提供扭矩从 10,000 牛米到 60,000 牛米的移动式起重机轮式驱动装置,具有工地定位精度、高速公路制动能力和多模式转向支持。

编辑:Cxm