CN108639997B - 一种带卷筒的行星卷扬齿轮箱 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带卷筒的行星卷扬齿轮箱，包括主齿轮箱和卷筒机构。主齿轮箱包括输入机构、回归传动轴、传动机构和输出机构，卷筒机构包括卷筒。本发明通过合理的行星传动结构布置和卷筒机构设置，使得本发明的行星卷扬齿轮箱结构简单、重量轻、体积小、节省空间；传动平稳，承载能力强；负载分配合理，齿轮磨损小，使用寿命长；可有效避免钢丝绳多层缠绕时的乱绳现象。

Description

一种带卷筒的行星卷扬齿轮箱

技术领域

本发明属于卷扬机技术领域，特别涉及一种带卷筒的行星卷扬齿轮箱。

背景技术

卷扬机是一种用卷筒缠绕钢丝绳或链条提升或牵引重物的起重设备，广泛应用于港口起重机和船厂、随车吊和汽车吊、建筑起重机、舰船和甲板起重机、集装箱龙门吊、汽车和履带式起重机、海上平台起重机等工业领域。

行星卷扬齿轮箱是提供卷扬机起升动力的核心装置。传统的行星卷扬齿轮箱采用外置的卷扬机构，即齿轮箱安装于卷筒外部，因此结构不够紧凑，占用空间较大，且安装复杂，无法应用于狭小的空间。传统的行星卷扬齿轮箱还存在齿轮易磨损，钢丝绳在卷筒上多层缠绕时易发生乱绳等问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种带卷筒的行星卷扬齿轮箱，包括主齿轮箱和卷筒机构；主齿轮箱包括输入机构、回归传动轴、传动机构和输出机构；卷筒机构包括卷筒。其中主齿轮箱的回归传动轴、传动机构、输出机构基本上安装于卷筒机构的卷筒内部。

输入机构包括输入轴、第一油封、齿轮箱端盖、第一轴承和输入法兰座。输入轴的前端用于在使用时与卷扬机的动力机构相连接，使得动力机构可以带动输入轴转动；输入轴的后端与回归传动轴的前端啮合。输入轴上安装齿轮箱端盖，齿轮箱端盖上设置第一油封，输入轴通过第一轴承安装在输入法兰座内。

回归传动轴包括回归传动轴前端、回归传动轴后端和回归传动轴尾端。回归传动轴前端为渐开线外花键结构，与输入轴的后端啮合；回归传动轴后端为圆柱直齿轮结构，与传动行星轮啮合；回归传动轴尾端通过第六轴承安装到齿轮箱后盖上。回归传动轴上还安装有第二轴承和输出级太阳轮，位于回归传动轴前端和回归传动轴后端之间。

传动机构包括传动行星轮、第五轴承、传动行星架、传动内齿圈和中间连接法兰。传动行星轮通过第五轴承和传动行星轮芯轴安装在传动行星架内，传动行星轮与传动内齿圈啮合。传动行星轮和回归传动轴后端的圆柱直齿轮啮合，形成一组行星传动结构。传动内齿圈、中间连接法兰、输出级内齿圈和输出法兰之间通过连接件联接为一体。

输出机构包括输出级太阳轮、输出级行星轮、第七轴承、输出级行星架、第三轴承、第四轴承、输出级内齿圈、第二油封、第三油封、输出法兰和挡块。输出法兰上安装第二油封，在使用时输出法兰与卷扬机的卷筒相连接，从而带动卷扬机的卷筒旋转。输出法兰和中间连接法兰内通过第三轴承和第四轴承安装有输出级行星架。输出级行星架上安装第三油封和挡块，输出级行星架上通过输出级行星轮芯轴和第七轴承安装输出级行星轮。输出级行星轮与输出级太阳轮啮合，形成一组行星传动结构。

卷筒机构包括卷筒，卷筒内安装有轴承衬套、第八轴承和凸轮行程开关连接法兰。轴承衬套用于固定第八轴承和凸轮行程开关连接法兰。凸轮行程开关连接法兰用于连接凸轮行程开关，从而能够记录和控制卷筒上钢丝绳的圈数。卷筒包括两个卷筒法兰，其在钢丝绳多层缠绕时限定了钢丝绳在卷筒的圆柱表面两端的边界，起到了挡板的作用。卷筒的圆柱表面设置有导向槽，用于引导钢丝绳在多层缠绕时进行有规律地排布，以避免出现乱绳现象。

进一步地，输入法兰座通过螺钉联接安装于输出级行星架上。

进一步地，第一轴承、第三轴承、第五轴承、第七轴承为带外圈或不带外圈的满装圆柱滚子轴承；第二轴承、第四轴承和第六轴承为深沟球轴承；第八轴承为调心滚子轴承。

进一步地，第一油封、第三油封采用骨架油封；第二油封为V型圈结构，且与第三油封组成组合密封结构。

进一步地，输出级行星轮的数量为4个，不均匀地分布于输出级太阳轮的周围，即沿输出级太阳轮的周向非均匀地分布；传动行星轮的数量为3个，均匀分布于回归传动轴后端的圆柱直齿轮的周围，即沿回归传动轴后端的周向均匀地分布。

进一步地，当传动行星轮沿回归传动轴后端的周向非均匀地分布时，输出级行星轮沿输出级太阳轮的周向均匀地分布；当传动行星轮沿所述回归传动轴后端的周向均匀地分布时，输出级行星轮沿输出级太阳轮的周向非均匀地分布。

进一步地，4个输出级行星轮相对于输出级太阳轮的位置设置方法如下：首先，将第一输出级行星轮设置在与卷筒相切的钢丝绳和输出级太阳轮之间，并使得第一输出级行星轮的轴心a与输出级太阳轮的轴心o的连线oa垂直于钢丝绳；然后将第二输出级行星轮设置在第一输出级行星轮的相对侧，使得第二输出级行星轮的轴心b与第一输出级行星轮的轴心a相对于输出级太阳轮的轴心o中心对称；接着将第三输出级行星轮的轴心c和第四输出级行星轮的轴心d相对于连线oa轴对称地设置在输出级太阳轮的两侧，使得第四输出级行星轮的轴心d与输出级太阳轮的轴心o的连线od与连线oa呈α角，连线od与连线ob呈β角，且

2arcsin[r/(R+r)]<α≤90°；

即90°≤β<180°-2arcsin[r/(R+r)]；

其中，r表示输出级行星轮的分度圆半径，R表示输出级太阳轮的分度圆半径。α角优选为55°-70°，更优选为60°-65°；即β角优选为110°-125°，更优选为115°-120°。

进一步地，3个传动行星轮相对于回归传动轴后端的位置设置方法如下：首先，设置第一传动行星轮使得回归传动轴后端处于钢丝绳和第一传动行星轮之间，并使得第一传动行星轮的轴心e与回归传动轴后端的轴心o’的连线eo’垂直于钢丝绳；然后将第二传动行星轮和第三传动行星轮相对于eo’对称地设置在回归传动轴后端的两侧，使得第三传动行星轮的轴心g与回归传动轴后端的轴心o’的连线o’g与连线eo’的延长线呈γ角，与连线o’e呈δ角，且

2arcsin[r’/(R’+r’)]<γ≤60°

即120°≤δ<180°-2arcsin[r’/(R’+r’)]

其中，r’表示传动行星轮的分度圆半径，R’表示回归传动轴后端的圆柱直齿轮的分度圆半径。γ角优选为35°-50°，更优选为40°-45°；即δ角优选为130°-145°，更优选为135°-140°。

优选地，α角为55°-70°，且γ角为60°。更优选地，α角为60°-65°；且γ角为60°。

优选地，α角为90°，且γ角为35°-50°。更优选地，α角为90°，且γ角为40°-45°。

进一步地，输出级行星轮芯轴和/或行星轮芯轴的位置是可调节的，即α角和/或γ角是可调节的。具体地，如要将输出级行星轮芯轴设置为可调节，则在输出级行星架上设置圆环形凹槽，该圆环形凹槽的圆心位置即为输出级太阳轮的轴心o，该圆环形凹槽用于容纳输出级行星轮芯轴(即a、b、c、d)。输出级行星轮芯轴可沿该圆环形凹槽灵活地设置在不同位置，并通过紧固件、焊接或其他紧固方式固定在输出级行星架上。同理，如要将行星轮芯轴设置为可调节，则在传动行星架上设置圆环形凹槽，该圆环形凹槽的圆心位置即为回归传动轴后端的轴心o’，该圆环形凹槽用于容纳行星轮芯轴(即e、f、g)。行星轮芯轴可沿该圆环形凹槽灵活地设置在不同位置，并通过紧固件、焊接或其他紧固方式固定在传动行星架上。

优选地，上述圆环形凹槽内部或周围设有角度刻度线以标示角度，类似于量角器上的刻度。

进一步地，卷筒上的导向槽有两种设置方式。一种常规的设置方式是采用螺旋形导向槽，该螺旋为单线螺纹。另一种导向槽设置方式是将导向槽分为直行段和倾斜段，这种设置可有效避免钢丝绳多层缠绕时的乱绳现象，因为每层钢丝绳的交叉点在卷筒截面的同一位置上，并且确定了下一层钢丝绳的螺旋升角，可缠绕八层或更多层。

进一步地，导向槽的直行段沿卷筒圆柱表面的周向延伸，然后相对于周向以一定的倾斜角度θ延伸，形成倾斜段；倾斜段会造成沿卷筒圆柱表面的轴向偏移，当该偏移达到p/2时(p表示螺旋节距，即相邻导向槽之间的轴向距离)，导向槽继续沿周向延伸，又形成直行段。同样，在卷筒的背面，也存在一个倾斜段，背面的倾斜段和正面的倾斜段位置相对，背面的倾斜段倾斜角度也为θ，其轴向偏移也为p/2。如此，导向槽在卷筒圆柱表面行进半圈可产生p/2的轴向偏移，那么行进一圈总共可产生p的轴向偏移，正好对应于螺旋节距，也就是与相邻的导向槽正好对接。

进一步地，导向槽也可以只在卷筒的圆柱表面设置一段倾斜段，该倾斜段的倾斜角度为θ，但轴向偏移为p。

进一步地，导向槽的倾斜段的倾斜角度θ优选为10°-30°，更优选为15°-25°。

进一步地，卷筒的直径D1一般按卷扬机的实际作业要求设置，例如可设为钢丝绳直径d的20倍。

进一步地，卷筒法兰的直径D2一般设置为当钢丝绳全部卷起时超出最外层钢丝绳1.5d，即D2＝D1+2(z+1)d。

进一步地，钢丝绳绳长(包含三圈过放保险钢丝绳)为：

Ls＝[(L2/p)-a][D1+0.866*d(z-1)](z*π/1000)

其中，Ls表示钢丝绳绳长(m)；L2表示卷筒长度，即两卷筒法兰之间的距离(mm)；D1表示卷筒直径(mm)；d表示钢丝绳直径(mm)；p表示螺旋节距，即相邻导向槽之间的距离(mm)；z表示钢丝绳缠绕层数；a表示导向槽形状系数，当导向槽为上述螺旋形设置时a＝1，当导向槽为上述“直行段+倾斜段”设置时a＝0.5。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的行星卷扬齿轮箱结构简单、重量轻，其在使用时基本上隐藏于卷扬机的卷筒内部，从而使得卷扬机整体结构紧凑、体积小、节省空间；

2、本发明的行星卷扬齿轮箱的各组行星传动机构的布置合理，回归传动轴与输入轴通过渐开线外花键结构啮合，能起到自动定心的作用，使各齿受力均匀，传动平稳，承载能力强；

3、本发明创新地提出将输出级行星轮或传动行星轮相对于其太阳轮非均匀地分布，有助于减少齿轮的磨损，从而大大地延长了齿轮箱的使用寿命；或者当齿轮使用耐磨性能较差的材质时也能达到较长的使用寿命；

4、本发明的输出级行星轮芯轴和/或行星轮芯轴的位置可设置为可调节，即α角和/或γ角可调节，这样有利于根据卷扬机的实际工况灵活调整输出级行星轮和/或传动行星轮的分布，从而最大限度地减少齿轮的磨损；

5、本发明的卷筒使用调心滚子轴承，具有自动调心性能，不易受卷筒与安装座角度误差的影响，能承受较大的径向力，确保齿轮箱运行平稳，安全性高；

6、本发明的卷筒的导向槽设计可有效避免钢丝绳多层缠绕时的乱绳现象，尤其是“直行段+倾斜段”的导向槽设计。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的齿轮箱安装在卷扬机中的示意图；

图2是图1中的带卷筒的行星卷扬齿轮箱的侧面部分剖视图；

图3是图2中的带卷筒的行星卷扬齿轮箱沿P-P’轴线的部分剖视图；

图4是图3中的主齿轮箱的外形结构示意图；

图5是图4中的主齿轮箱沿Q-Q’轴线的剖面结构示意图；

图6是图1中的卷扬机的四种工作状态示意图；

图7是图6(a)的工作状态时输出级行星轮的分布示意图；

图8是α角与第一输出级行星轮(上图)和第二传动行星轮(下图)的磨损状态的关系示意图；

图9是图6(a)的工作状态时输出级行星轮的分布示意图；

图10是γ角与第一输出级行星轮(上图)和第二传动行星轮(下图)的磨损状态的关系示意图；

图11是本发明的卷筒机构的导向槽的两种实施方式示意图；

图12是图11(b)的导向槽的局部放大示意图；

图13是图11(a)的局部放大示意图。

其中，A-动力机构，B-主齿轮箱；

1-输入机构，11-输入轴，12-第一油封，13-齿轮箱端盖，14-第一轴承，15-输入法兰座；

2-回归传动轴，21-回归传动轴前端，22-回归传动轴后端，23-第二轴承，24-回归传动轴尾端，25-第六轴承；

3-传动机构，31-传动行星轮，31e-第一传动行星轮，31f-第二传动行星轮，31g-第三传动行星轮，32-第五轴承，33-传动行星轮芯轴，34-传动行星架，35-传动内齿圈，36-中间连接法兰；

4-输出机构，41-输出级太阳轮，42-输出级行星轮，42a-第一输出级行星轮，42b-第二输出级行星轮，42c-第三输出级行星轮，42d-第四输出级行星轮，43-第七轴承，44-输出级行星轮芯轴，45-输出级行星架，46-第三轴承，47-第四轴承，48-输出级内齿圈，49-第二油封，410-第三油封，411-输出法兰，412-挡块；

5-齿轮箱后盖；

6-卷筒机构，61-卷筒，62-卷筒法兰，63-导向槽，631-直行段，632-倾斜段，64-轴承衬套，65-第八轴承，66-凸轮行程开关连接法兰。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，下述的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

作为本发明的齿轮箱的一个典型的应用场景，图1示出了一种包括本发明的一个较佳实施例的齿轮箱的卷扬机，图2-图3则是本发明的一个较佳实施例的带卷筒的行星卷扬齿轮箱结构示意图。如图1-图3所示，本发明的带卷筒的行星卷扬齿轮箱包括主齿轮箱B和卷筒机构6，主齿轮箱B大致上设置于卷筒机构6的卷筒61内部，具体来说，主齿轮箱B除了输入机构1外基本上都位于卷筒61的内部，因此主齿轮箱B是一种内藏式行星卷扬齿轮箱。主齿轮箱B的输入机构1的输入轴11与动力机构A相连接，由动力机构A提供卷扬机转动所需的动力，并由主齿轮箱B传导至卷筒机构6，从而实现卷扬机卷筒61的转动。图1中示出的动力机构A为液压马达，当然动力机构A也可以是其他驱动设备，例如电动马达，即电机。

图4-图5是本发明的一个较佳实施例的主齿轮箱B的具体结构示意图。如图4-图5所示，本发明的主齿轮箱B包括输入机构1、回归传动轴2、传动机构3以及输出机构4。本发明所定义的前方指的是主齿轮箱B水平放置时(即使用状态时)靠近动力机构A的方向或输入轴11与动力机构A连接端所指向的方向；本发明所定义的后方指的是与前述的前方相反的方向，即主齿轮箱B水平放置时靠近齿轮箱后盖5的方向。

输入机构1的输入轴11的前端用于在使用时与动力机构A相连接，使得动力机构A可以带动输入轴11转动；输入轴11的后端与回归传动轴2的前端啮合。输入轴11上安装齿轮箱端盖13，齿轮箱端盖13上设置第一油封12，输入轴11通过第一轴承14安装在输入法兰座15内。

回归传动轴前端21与输入轴11的后端啮合，回归传动轴前端21为渐开线外花键结构；回归传动轴后端22与传动行星轮31啮合，回归传动轴后端22为圆柱直齿轮结构；回归传动轴尾端24通过第六轴承25安装到齿轮箱后盖5上。回归传动轴2上还安装有第二轴承23和输出级太阳轮41，位于回归传动轴前端21和回归传动轴后端22之间。

传动行星轮31通过第五轴承32和行星轮芯轴33安装在传动行星架34内，传动行星轮31与传动内齿圈35啮合。传动行星轮31和回归传动轴后端22的圆柱直齿轮啮合，形成一组行星传动结构。传动内齿圈35、中间连接法兰36、输出级内齿圈48和输出法兰411之间通过连接件联接为一体。

输出法兰411上安装第二油封49，在使用时输出法兰411与卷筒机构6的卷筒61相连接。输出法兰411和中间连接法兰36内通过第三轴承46和第四轴承47安装有输出级行星架45。输出级行星架45上安装第三油封410和挡块412，输出级行星架45上通过输出级行星轮芯轴44和第七轴承43安装输出级行星轮42。输出级行星轮42与输出级太阳轮41啮合，形成一组行星传动结构。

卷筒机构6包括卷筒61，卷筒61内安装有轴承衬套64、第八轴承65和凸轮行程开关连接法兰66。轴承衬套64用于固定第八轴承65和凸轮行程开关连接法兰66。凸轮行程开关连接法兰66用于连接凸轮行程开关，从而能够记录和控制卷筒61上钢丝绳的圈数。卷筒61包括两个卷筒法兰62，其在钢丝绳多层缠绕时限定了钢丝绳在卷筒61的圆柱表面两端的边界，起到了挡板的作用。卷筒61的圆柱表面设置有导向槽63，用于引导钢丝绳在多层缠绕时进行有规律地排布，以避免出现乱绳现象。

本实施例中，输入法兰座15通过螺钉联接安装于输出级行星架45上。

本实施例中，第一轴承14、第三轴承46、第五轴承32、第七轴承43为带外圈或不带外圈的满装圆柱滚子轴承；第二轴承23、第四轴承47和第六轴承25为深沟球轴承；第八轴承65为调心滚子轴承，具有自动调心性能，不易受卷筒61与安装座角度误差的影响，能承受较大的径向力，确保齿轮箱运行平稳，安全性高。

本实施例中，第一油封12、第三油封410采用骨架油封；第二油封49为V型圈结构，且与第三油封410组成组合密封结构。

本实施例中，输出级行星轮42的数量为4个，均匀地或不均匀地分布于输出级太阳轮41的周围；传动行星轮31的数量为3个，不均匀地或均匀地分布于回归传动轴后端22的圆柱直齿轮的周围。现有技术中的行星机构通常都采用行星轮均匀分布于太阳轮的周围，但是发明人发现对于本申请的卷扬齿轮箱而言，如将输出级行星轮42和/或传动行星轮31设置为非均匀的方式分布，反而能够更好地适应卷扬机实际工作状态的受力情况，从而大大减少输出级行星轮42和/或传动行星轮31的磨损。

如图6所示，根据卷扬机钢丝绳固定端及卷筒61旋转方向的不同，卷扬机在实际工作时一般有四种工作状态：图6(a)对应的是钢丝绳固定在卷筒61右侧，卷筒61顺时针旋转的情况，这时钢丝绳从卷筒61的侧上方绕出；图6(b)对应的是钢丝绳固定在卷筒61左侧，卷筒61逆时针旋转的情况，这时钢丝绳从卷筒61的侧下方绕出；6(c)对应的是钢丝绳固定在卷筒61左侧，卷筒61顺时针旋转的情况，这时钢丝绳从卷筒61的侧上方绕出；6(d)对应的是钢丝绳固定在卷筒61右侧，卷筒61逆时针旋转的情况，这时钢丝绳从卷筒61的侧下方绕出。

以图6(a)所示的状态为例，由于钢丝绳总是从卷筒61的右侧上方绕出，发明人发现，久而久之会造成分布在卷筒61内右上侧的输出级行星轮42的磨损比分布在左下侧的输出级行星轮42的磨损严重。鉴于上述现象，发明人创新地提出，根据卷扬机实际工作状态来对输出级行星轮42的位置分布进行设置。在一般情况下，卷扬机和吊具的相对位置是比较固定的，因此钢丝绳相对于卷筒61的角度也是比较固定的；当然也有很多情况下，卷扬机和吊具的相对位置是不固定的，这时可根据钢丝绳相对于卷筒61的平均角度或最频繁状态的角度进行设置。

如图7所示，箭头方向代表了从卷筒61上引出的钢丝绳的方向，4个输出级行星轮42相对于输出级太阳轮41的位置设置方法如下：首先，将第一输出级行星轮42a设置在钢丝绳和输出级太阳轮41之间，并使得第一输出级行星轮42a的轴心a与输出级太阳轮41的轴心o的连线oa垂直于钢丝绳；然后将第二输出级行星轮42b设置在第一输出级行星轮42a的相对侧，使得第二输出级行星轮42b的轴心b与第一输出级行星轮42a的轴心a相对于输出级太阳轮41的轴心o对称；接着将第三输出级行星轮42c和第四输出级行星轮42d相对于ab对称地设置在输出级太阳轮41的两侧，使得第四输出级行星轮42d的轴心d与输出级太阳轮41的轴心o的连线od与连线oa呈α角，与连线ob呈β角，且

2arcsin[r/(R+r)]<α≤90°

即90°≤β<180°-2arcsin[r/(R+r)]

其中，r表示输出级行星轮42的分度圆半径，R表示输出级太阳轮41的分度圆半径。上述α角和β角均设置为90°时，输出级行星轮42即为均匀分布；除此之外的其他设置则为非均匀设置且保证了第三输出级行星轮42c和第四输出级行星轮42d在位置上更靠近钢丝绳，从而在一定程度上对受力进行了更合理的分流。但关于α角和β角的最优角度的设定则应根据齿轮箱或卷扬机的实际工作状况而定，因素比较复杂，例如与输出级行星机构的传动比、卷扬机的负荷，输出级行星轮42和输出级太阳轮41的材质等因素均有关系。虽然发明人尚未明确其中的具体关系以及如何寻求关于α角和β角的最优角度，但仍通过试验得出了具有比较普遍适用性的优选的α角和β角。

发明人对3个不同工况的系统进行了对比试验，每个系统内所采用的工况均相同，且传动行星轮31设置为均匀分布的方式，区别仅在于设置了不同的α角和β角。试验记录了在设定的工作时间内(至少1000小时)，最易磨损的第一输出级行星轮42a的磨损状态与α角的关系，磨损状态是根据《齿轮磨损程度的模式识别》(《机械工程》，1987，No.5)一文中表1的标准(新齿轮为7，正常磨损为5，中度磨损为4，严重磨损为1)以半定量的方式测定、评估并记录，其结果如图8所示。由图8可知，本发明将4个输出级行星轮42相对于输出级太阳轮41的非均匀的分布方式相对于均匀的分布方式有助于减少输出级行星轮42的磨损，其效果根据不同的α角和β角设置而有所差异。根据试验结果，α角优选为55°-70°，更优选为60°-65°；即β角优选为110°-125°，更优选为115°-120°。

与上述对于输出级行星轮42的设置(即α角和β角的设置)类似的，发明人还研究了传动行星轮31的设置对其磨损状态的影响。如图9所示，箭头方向代表了卷扬机钢丝绳的方向，3个传动行星轮31相对于回归传动轴后端22的位置设置方法如下：首先，设置第一传动行星轮31e使得回归传动轴后端22处于钢丝绳和第一传动行星轮31e之间，并使得第一传动行星轮31e的轴心e与回归传动轴后端22的轴心o’的连线eo’垂直于钢丝绳；然后将第二传动行星轮31f和第三传动行星轮31g相对于eo’对称地设置在回归传动轴后端22的两侧，使得第三传动行星轮31g的轴心g与回归传动轴后端22的轴心o’的连线o’g与连线eo’的延长线呈γ角，与连线o’e呈δ角，且

2arcsin[r’/(R’+r’)]<γ≤60°

即120°≤δ<180°-2arcsin[r’/(R’+r’)]

其中，r’表示传动行星轮31的分度圆半径，R’表示回归传动轴后端22的圆柱直齿轮的分度圆半径。上述γ角和δ角分别设置为60°和120°时，传动行星轮31即为均匀设置；除此之外的其他设置则为非均匀设置且保证了第二传动行星轮31f和第三传动行星轮31g在位置上更靠近钢丝绳，从而也在一定程度上对受力进行了更合理的分流。同样地，发明人也通过试验得出了具有比较普遍适用性的优选的γ角和δ角。

与图8的试验类似的，发明人又设置了3个不同工况的系统，每个系统内所采用的工况均相同，且输出级行星轮42设置为均匀分布的方式，区别仅在于设置了不同的γ角和δ角。试验记录了在设定的工作时间内(至少1000小时)，最易磨损的第二传动行星轮31f的磨损状态与γ角的关系。由图10可知，本发明将3个传动行星轮31相对于回归传动轴后端22的非均匀的分布方式相对于均匀的分布方式有助于减少传动行星轮31的磨损，其效果根据不同的γ角和δ角设置而有所差异。根据试验结果，γ角优选为35°-50°，更优选为40°-45°；即δ角优选为130°-145°，更优选为135°-140°。

根据上述图8与图10的试验结果，发明人原本推断，如果4个输出级行星轮42和3个传动行星轮31均采用非均匀分布的方式，应该能够将输出级行星轮42和3个传动行星轮31的磨损降至最低。然而，出乎发明人意料的是，实际情况并非如此。发明人选取了α角的两个优选值60°、65°分别与γ角的两个优选值40°、45°进行组合(即存在4种组合方式：α＝60°且γ＝40°；α＝65°且γ＝40°；α＝60°且γ＝45°；以及α＝65°且γ＝45°)，以考察输出级行星轮42和传动行星轮31的磨损情况。结果显示，上述四种情况下，输出级行星轮42和传动行星轮31的磨损情况普遍比图8和图10中仅其一设置为非均匀分布的磨损情况严重。因此，与发明人原本预期的结果十分不同，最有利于减少齿轮的磨损的设置方式是将传动行星轮31设置为非均匀分布，而将输出级行星轮42设置为均匀分布；其次是将传动行星轮31设置为均匀分布，而将输出级行星轮42设置为非均匀分布；再次是将输出级行星轮42和传动行星轮31均设置为均匀的方式；最次是将输出级行星轮42和传动行星轮31均设置为非均匀的方式。综上，本发明的最优选的设置方式为：α角设置为90°且γ角设置为40°-45°。

在一个优选实施例中，为了便于设置α角和γ角，输出级行星轮芯轴44和/或行星轮芯轴33的位置是可调节的，即α角和/或γ角是可调节的。具体地，如要将输出级行星轮芯轴44设置为可调节，则在输出级行星架45上设置圆环形凹槽，该圆环形凹槽的圆心位置即为输出级太阳轮41的轴心o，该圆环形凹槽用于容纳输出级行星轮芯轴44(即a、b、c、d)。输出级行星轮芯轴44可沿该圆环形凹槽灵活地设置在不同位置，并通过紧固件、焊接或其他紧固方式固定在输出级行星架45上。由于输出级行星轮芯轴44的位置已经设定，相当于输出级行星轮42的位置也已经设定。同理，如要将行星轮芯轴33设置为可调节，则在传动行星架34上设置圆环形凹槽，该圆环形凹槽的圆心位置即为回归传动轴后端22的轴心o’，该圆环形凹槽用于容纳行星轮芯轴33(即e、f、g)。行星轮芯轴33可沿该圆环形凹槽灵活地设置在不同位置，并通过紧固件、焊接或其他紧固方式固定在传动行星架34上。由于行星轮芯轴33的位置已经设定，相当于传动行星轮31的位置也已经设定。优选地，为了便于α角和/或γ角的调节，上述圆环形凹槽内部或周围设有角度刻度线以标示角度，类似于量角器上的刻度。

本实施例中，卷筒61上的导向槽63有两种设置方式，如图11所示。其中，图11(a)是一种常规的设置方式，即采用螺旋形导向槽63，该螺旋为单线螺纹。更优选的导向槽63设置方式如图11(b)和图12所示，其分为直行段631和倾斜段632，导向槽63的直行段631沿卷筒61圆柱表面的周向(y轴方向)延伸，然后相对于周向以一定的倾斜角度θ延伸，形成倾斜段632；倾斜段632会造成轴向(x轴方向)的偏移，当该偏移达到p/2时(p表示螺旋节距，即相邻导向槽63之间的距离)，导向槽63继续沿周向延伸，又形成直行段631。同样，在卷筒61的背面(图中未示出)，也存在一个倾斜段，背面的倾斜段和正面的倾斜段632位置相对，背面的倾斜段倾斜角度也为θ，也向轴向偏移p/2。如此，导向槽63在卷筒61圆柱表面行进半圈可产生p/2的轴向偏移，那么行进一圈则可产生p的轴向偏移，正好对应于螺旋节距，也就是与相邻的导向槽63正好对接。当然，也可以只在卷筒61的圆柱表面设置一段倾斜段，该倾斜段的倾斜角度为θ，但轴向偏移为p。上述“直行段+倾斜段”的导向槽63设置可有效避免钢丝绳多层缠绕时的乱绳现象，因为每层钢丝绳的交叉点在卷筒61截面的同一位置上，并且确定了下一层钢丝绳的螺旋升角，可缠绕八层或更多层。倾斜段632的倾斜角度θ优选为10°-30°，更优选为15°-25°。

如图13所示，卷筒61的直径D1一般按卷扬机的实际作业要求设置，例如可设为钢丝绳直径d的20倍。卷筒法兰62的直径D2一般设置为当钢丝绳全部卷起时超出最外层钢丝绳1.5d，即D2＝D1+2(z+1)d。钢丝绳绳长(包含三圈过放保险钢丝绳)为：

Ls＝[(L2/p)-a][D1+0.866*d(z-1)](z*π/1000)

其中，Ls表示钢丝绳绳长(m)；L2表示卷筒61长度，即两卷筒法兰62之间的距离(mm)；D1表示卷筒61直径(mm)；d表示钢丝绳直径(mm)；p表示螺旋节距，即相邻导向槽63之间的距离(mm)；z表示钢丝绳缠绕层数；a表示导向槽63形状系数，当导向槽63如图11(a)设置时a＝1，当如图11(b)设置时a＝0.5。

本发明的行星卷扬齿轮箱采用渐开线行星齿轮传动，合理利用内外啮合，功率分流，因此具有结构简单、重量轻、体积小、转速范围宽、效率高、运行平稳、承载能力大以及适应性强等特点。本发明的齿轮箱根据实际工作状态可将输出级行星轮和/或传动行星轮的位置设置为可调节，例如采用4个均布的输出级行星轮和3个不均布的传动行星轮进行分流，大大减少了行星轮的磨损，延长了行星轮的使用寿命。齿轮箱的行星轮所采用的轴承为带外圈或不带外圈满装圆柱滚子轴承，有效保证轮轴承的使用寿命。齿轮箱的输出级密封采用骨架油封加V型圈的组合密封结构，有效提高了齿轮箱的密封可靠性。卷筒的导向槽设置可有效避免钢丝绳多层缠绕时的乱绳现象，卷筒使用调心滚子轴承，具有自动调心性能，不易受卷筒与安装座角度误差的影响，能承受较大的径向力，确保齿轮箱运行平稳，安全性高。本发明的齿轮箱可作为起升动力的主要装置，广泛用于港口起重机和船厂、随车吊和汽车吊、建筑起重机、舰船和甲板起重机、集装箱龙门吊、汽车和履带式起重机、海上平台起重机等工业领域。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种带卷筒的行星卷扬齿轮箱，其特征在于，包括主齿轮箱和卷筒机构，其特征在于，所述主齿轮箱包括输入机构、回归传动轴、传动机构和输出机构；所述卷筒机构包括卷筒；其中，

所述输入机构包括输入轴、第一油封、齿轮箱端盖、第一轴承和输入法兰座；所述输入轴的前端用于在使用时与所述卷扬机的动力机构相连接；所述输入轴的后端与所述回归传动轴的前端啮合；所述输入轴上安装有所述齿轮箱端盖，所述齿轮箱端盖上设置有所述第一油封，所述输入轴通过所述第一轴承安装在所述输入法兰座内；

所述回归传动轴包括回归传动轴前端、回归传动轴后端和回归传动轴尾端；所述回归传动轴前端与所述输入轴的后端啮合；所述回归传动轴后端与所述传动机构的传动行星轮啮合；所述回归传动轴尾端通过第六轴承安装到齿轮箱后盖上；所述回归传动轴上在所述回归传动轴前端和所述回归传动轴后端之间还安装有第二轴承和所述输出机构的输出级太阳轮；

所述传动机构包括所述传动行星轮、第五轴承、传动行星架、传动内齿圈和中间连接法兰；所述传动行星轮通过所述第五轴承和传动行星轮芯轴安装在所述传动行星架内，所述传动行星轮与所述传动内齿圈啮合；所述传动内齿圈、所述中间连接法兰、所述输出机构的输出级内齿圈和所述输出机构的输出法兰之间通过连接件联接为一体；

所述输出机构包括所述输出级太阳轮、输出级行星轮、第七轴承、输出级行星架、第三轴承、第四轴承、所述输出级内齿圈、第二油封、第三油封、所述输出法兰和挡块；所述输出法兰上安装有所述第二油封，在使用时所述输出法兰与所述卷扬机的所述卷筒相连接；所述输出法兰和所述中间连接法兰内通过所述第三轴承和所述第四轴承安装有所述输出级行星架；所述输出级行星架上安装有所述第三油封和所述挡块，所述输出级行星架上通过输出级行星轮芯轴和所述第七轴承安装有所述输出级行星轮；所述输出级行星轮与所述输出级太阳轮啮合；

所述卷筒机构包括所述卷筒；所述卷筒内安装有轴承衬套、第八轴承和凸轮行程开关连接法兰；所述轴承衬套用于固定所述第八轴承和所述凸轮行程开关连接法兰；所述凸轮行程开关连接法兰用于连接凸轮行程开关，以记录和控制所述卷筒上钢丝绳的圈数；所述卷筒包括两个卷筒法兰，以限定所述钢丝绳在所述卷筒的圆柱表面两端的边界；所述卷筒的圆柱表面设置有导向槽，以引导所述钢丝绳在多层缠绕时进行有规律地排布；

所述输出级行星轮的数量为4个，沿所述输出级太阳轮的周向非均匀地或均匀地分布；所述传动行星轮的数量为3个，沿所述回归传动轴后端的周向均匀地或非均匀地分布；且

当所述传动行星轮沿所述回归传动轴后端的周向非均匀地分布时，所述输出级行星轮沿所述输出级太阳轮的周向均匀地分布；当所述传动行星轮沿所述回归传动轴后端的周向均匀地分布时，所述输出级行星轮沿所述输出级太阳轮的周向非均匀地分布。

2.如权利要求1所述的齿轮箱，其特征在于，所述回归传动轴前端为渐开线外花键结构；所述回归传动轴后端为圆柱直齿轮结构。

3.如权利要求1所述的齿轮箱，其特征在于，所述第一轴承、所述第三轴承、所述第五轴承和所述第七轴承为满装圆柱滚子轴承；所述第二轴承、所述第四轴承和所述第六轴承为深沟球轴承；所述第八轴承为调心滚子轴承。

4.如权利要求1所述的齿轮箱，其特征在于，所述第一油封和所述第三油封为骨架油封；所述第二油封为V型圈结构，且与所述第三油封组成组合密封结构。

5.如权利要求1所述的齿轮箱，其特征在于，4个所述输出级行星轮分别为第一输出级行星轮、第二输出级行星轮、第三输出级行星轮和第四输出级行星轮；所述第一输出级行星轮设置在与所述卷筒相切的钢丝绳和所述输出级太阳轮之间，使得所述第一输出级行星轮的轴心a与所述输出级太阳轮的轴心o的连线oa垂直于所述钢丝绳；所述第二输出级行星轮的轴心b与所述第一输出级行星轮的轴心a相对于所述输出级太阳轮的轴心o中心对称；所述第三输出级行星轮的轴心c和所述第四输出级行星轮的轴心d相对于连线oa轴对称；所述第四输出级行星轮的轴心d与所述输出级太阳轮的轴心o的连线od与连线oa呈α角，连线od与连线ob呈β角，且

2arcsin[r/(R+r)]<α≤90°；

90°≤β<180°-2arcsin[r/(R+r)]；

其中，r表示所述输出级行星轮的分度圆半径，R表示所述输出级太阳轮的分度圆半径；

3个所述传动行星轮分别为第一传动行星轮、第二传动行星轮和第三传动行星轮；所述回归传动轴后端处于与所述卷扬机的卷筒相切的钢丝绳和所述第一传动行星轮之间，且所述第一传动行星轮的轴心e与所述回归传动轴后端的轴心o’的连线eo’垂直于所述钢丝绳；所述第二传动行星轮和所述第三传动行星轮相对于eo’对称地设置在所述回归传动轴后端的两侧，所述第三传动行星轮的轴心g与所述回归传动轴后端的轴心o’的连线o’g与连线eo’的延长线呈γ角，与连线o’e呈δ角，且

2arcsin[r’/(R’+r’)]<γ≤60°

即120°≤δ<180°-2arcsin[r’/(R’+r’)]

其中，r’表示所述传动行星轮的分度圆半径，R’表示所述回归传动轴后端的圆柱直齿轮的分度圆半径。

6.如权利要求5所述的齿轮箱，其特征在于，所述α角为60°-65°，所述β角为115°-120°；或者所述γ角为40°-45°，所述δ角为135°-140°。

7.如权利要求5所述的齿轮箱，其特征在于，所述α角为90°，所述β角为90°；且所述γ角为40°-45°，所述δ角为135°-140°。

8.如权利要求1所述的齿轮箱，其特征在于，所述导向槽包括直行段和倾斜段，所述直行段沿所述卷筒的圆柱表面的周向延伸，所述倾斜段相对于所述卷筒的圆柱表面的周向以倾斜角度θ延伸，并在所述卷筒的圆柱表面的轴向产生轴向偏移。

9.如权利要求8所述的齿轮箱，其特征在于，所述导向槽的所述倾斜角度θ为15°-25°，所述导向槽沿所述卷筒的圆柱表面行进一圈产生的所述轴向偏移为p，其中p表示相邻所述导向槽之间的轴向距离。