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我国行星齿轮传动技术的发展现状及展望
西安重型机械研究所 赵玉良
摘要：本文简要介绍了我国行星传动技术的发展现状及水平，重点对普通行星齿轮传动、差动传动、二环及三环少齿差传动、混合少齿差齿轮传动、封闭式差动行星传动及行星变速器的技术进展及现状进行了介绍。基于对国内行星传动技术发展现状的分析，本文指出了未来几年我国行星传动技术的发展将呈现传动装置大型化、产品类型多样化及市场国际化三大趋势。
关键词： 行星齿轮传动
Current Status and Perspective of Domestic Planetary Gearing
Technology
Abstract: This paper gives a brief introduction of the domestic planetary gearing development and tech., Preferably concerned are common planetary gearing, differential gearing, bi-cycle & tri-cycle gearing with small tooth difference, mixed planetary gearing with small tooth difference, closed planetary differential gearing and gear reducer. Based on the analysis of the current development, three trends are believed that would feature domestic planetary gearing in the coming years which are device large-sized, products varied and market internationalized.
Key words: planetary gear transmission current status and technology
行星齿轮传动技术是齿轮传动技术的一个重要分支，采用行星齿轮传动技术开发的各类行星齿轮减速箱及行星齿轮增速箱，较之于一般的定轴式齿轮箱，在传递同样的功率或转矩时，具有更小的体积、更轻的重量及更高的效率，因而也更易于进行传动系统的布置和便于降低造价及运输和检修成本，因此在水泥、冶金、煤炭、矿山及石化等许多行业普遍得以应用。本文希望通过对我国行星齿轮传动技术的发展及现状的评述，分析一下行星齿轮传动技术的应用特点及前景。 1 我国行星齿轮传动技术的发展及现状
在我国，对行星齿轮传动技术的开发及应用自上世纪五十年代就开始了，但直至改革开放前的相当长的一段时间里，由于受设计理念与水平、加工手段及与材料与热处理质量等方面的限制，我国各类行星齿轮箱的总体承载水平和可靠性都还处于一个比较低的水平，以至于我国许多行业配套的高性能行星齿轮箱，如磨机齿轮箱等多采用进口产品。改革开放以来，随着国内多家单位相继引进了国外先进的行星传动生产及设计技术并在此基础上进行了消化吸收和创新开发，使得国内的行星齿轮传动技术取得了长足发展。在基础研究方面，通过国内相关高校、研究院所及企业的合作，在行星传动的均载技术、优化设计技术、结构强度分析、系统运动学与动力学分析、以
及二环与三环传动、混合少齿差传动、重载差动技术、封闭式差动传动及行星传动制造装配技术等方面都取得了一系列突破，使得我国已全面掌握了行星传动的设计、制造技术并形成了一批具有较强实力的研发制造机构。制造手段方面，近二十年来通过引进及自主开发的磨齿机、插齿机、加工中心及热处理装置等的广泛采用，大大提升了制造水平，在硬件上也切实保证了产品的加工质量。总体而言，近些年来我国在各类行星传动产品的开发及应用方面都取得了较大进展，下面予以简要综述： 1.1 普通行星齿轮传动
普通行星齿轮传动是目前国内外应用最为普遍的一种型式，由于多年的研究及应用，人们对其设计、制造工艺的了解已十分深入，因而采用普通2K-H行星传动技术已发展起来了多种型式的系列产品，如在我国应用较为普遍的通用行星齿轮减速器系列产品（JB/T6502-1993），此外还有分别用于立磨、辊压机、铝铸轧机、矿井提升机、管磨机、风电增速箱、水电增速箱及堆取料机上的行星齿轮箱等多种型式的专用系列产品。
目前国内用于磨机传动的行星齿轮箱的最大功率已达3800KW，用于水泥行业辊压机的悬挂行星齿轮箱的输入功率已达900KW，用于铝铸轧机的行星齿轮箱的最大输出力矩已达1200KNm，风力发电增速箱的最大传递功率已达1400KW。 国内重载行星齿轮箱的设计制造水平已达到国外同类产品先进水平，近些年来重载行星齿轮箱的进口数量已呈明显减少之势。
为减小重载行星齿轮箱的体积和重量，近些年来国内外在设计上采用了多行星轮均载或双排传动技术等，由此使得行星齿轮箱的尺寸明显减小，同时也降低了齿圈的加工及热处理难度。在制造工艺方面，通过采用优质齿轮材料和提高热处理质量等措施，使齿轮产品水平明显提高，由此也大大提高了整机的寿命及运行可靠性。
水泥行业是重载行星齿轮传动装置应用最为集中的一个行业，如各类磨机、辊压机、大型回转窑及堆取料机等，都广泛采用行星传动装置。在各种磨机上，大型立磨传动目前均普遍采用锥齿一行星传动装置，其中的行星传动采用了单级或两级的型式。管磨机在发展边缘传动的同时，中心驱动的行星齿轮箱近几年亦有较快的应用及发展。大型辊压机几乎无一例外全部采用悬挂式行星齿轮箱。近几年上马的日产万吨水泥熟料生产线的回转窑采用的也是双边驱动的行星齿轮传动装置。
铝铸轧机长期以来一直沿用传统轧机的传动方案，既笨重，又不经济。自西安重型机械研究所推出了用于铝铸轧机的专用行星传动装置专利产品后，国内新上马的铝铸轧机无一例外全部采用了新的传动方案，大大减轻了整机重量，提升了整机的配套水平，也明显降低了造价。
国内行星传动产品的设计制造已具有一定的实力和坚实的基础，西安重型机械研究所、洛阳中重齿轮箱有限公司、南京高精齿轮股份有限公司、重庆齿轮箱有限公司、荆州巨鲸传动机械有限公司等都拥有各具特色的行星齿轮箱系列产品，并分别在建材、有色、水电、煤炭、矿山及工程机械等行业得以广泛应用。 1.2 差动传动
差动传动是2K-H传动的一种特殊应用形式，它是利用2K-H轮系三个自由度间的不同组合以实现运动或动力的分解、控制及调整。实际上差动传动技术用于车辆上的运动分解、用于转炉的倾动及拉伸弯曲矫直机的控制传动等，已经有多年的历史。近些年来，利用差动传动技术开发的许多新产品也在许多行业发挥着重要作用，一些典型的应用实例如下：
利用差动传动装置的调速功能驱动中小型连轧机、风机、泵及磨机等，可实现对工作机输出转速的调节，以实现相应的工艺要求或调整其输出的流体流量及压力等，可明显改善作业品质，降低运行能耗，减少资源浪费。
利用差动传动技术开发的可控起动传动装置，通过控制差动机构中某一自由度的转速变化，进而实现输出级的平稳起动，可大大减缓起动冲击，减小起动电流，改善起动品质。目前在长距离皮带机上已得到广泛应用，其最大传递功率可达3000KW，并可实现多点驱动且自动实现载荷均衡。
利用差动技术开发的高速差速器应用于卧式螺旋卸料离心分离机，可实现固液物料的分离作业。差速器最高工作转速可达5000r/min，最大驱动力矩可达数万牛米。
此外差动传动装置还广泛应用于起重机、装卸船机的吊钩及电炉电极的升降运动，以实现正常运行及空行程时快速运动的要求。在连铸设备的钢包移动台车驱动装置中采用差动传动装置，亦可实现正常运行及起步和停车时慢速运行的要求。 1.3 二环及三环少齿差传动
二环及三环少齿差传动是我国开发的独具特色的少齿差传动，它主要是由二相或三相并列外置的双曲柄机构组成，可实现二路或三路的功率分流，同时还具有同时接触齿对数多、速比大、易于实现双输入等优点。其结构上的独特优势使其在打桩机的顶部驱动、烧结机的柔性传动上很方便得以应用。此外三环传动近些年来在冶金行业的连铸设备、炼钢设备及轧制设备中也均得到应用，其最大传递力矩已达900KN.m，产品系列规格也愈来愈丰富，便于用户选用。
二环、三环传动的缺点是直接用于高速传动时振动、噪声较大，因而当用于这种情况时常常在其输入级需先串联一级其它型式的传动，以使后置级的转速降低。目前这种类型的产品也均实现了系列化、标准化，需要时可直接进行选用。 1.4 混合少齿差齿轮传动
混合少齿差齿轮传动是我国自主开发的独具特色的另一类少齿差传动技术，它是在综合了传统少齿差和普通行星传动技术优点的基础上，通过巧妙的组合而形成的一种全新的少齿差传动技术，它具有传动比范围大、承载能力大、多齿啮合、体积小等一系列优点。例如其速比范围可达14~25000，因此在需要速比大，而体积又比较紧凑的情况下具有独特的竞争优势。
混合少齿差星轮传动产品在发展的早期曾存在发热严重、效率不高等缺点。经过近些年来的完善和改进，产品性能已有很大提高，并已发展成具有多种型式和规格的系列产品，目前在球磨机、堆取料机、锅炉出渣机及卷扬机上等都得到了应用。
较之于传统的少齿差传动和二环、三环传动，混合少齿差星轮减速器具有更高的
传动效率，更小的体积和更轻的重量，因此不失为一种有竞争力的大速比传动装置。 1.5 封闭式差动行星传动
作为一种特殊的差动传动形式，封闭式差动行星传动在壳体回转类行星齿轮箱中得以广泛应用。它是利用结构上的封闭性将差动轮系的两个自由度连结起来，进而实现确定的运动输出。封闭式差动传动装置的突出优点是单位体积传递力矩大，整机结构紧凑，因而在车辆回转驱动、卷扬机构驱动及矿井输送机上等得到了广泛应用。
我国目前的工程车辆驱动系统中仍较多地配套选用了德国、美国、日本及意大利的封闭式差动传动产品。近几年随着国内对此种传动形式的开发及应用，也已形成了自己的产品系列可供用户选用。并已在大型路面铣刨机、矿井刮板输送机及卷扬机上得到应用，应用情况良好，其最大输出力矩已达5万牛米以上。 1.6 行星变速箱
行星变速箱是指把行星传动和摩擦片式离合或制动器复合于一体的产品，它具有多档转速输出、空档输出及制动等功能，全部输出状态的转换可通过液动、气动或手动方式实现。行星变速箱多用于工程车辆或卷筒驱动上。目前国内已开发有供工程机械及石油工程车辆上使用的多种形式的行星变速箱可供选用，安装方式有座式、法兰式等多种形式，最大输出力矩可达35000N.m，最高输入转速2500r/min，最大速比可达300以上。
2 行星齿轮传动的发展展望
由于行星齿轮类产品一系列独特的优点，行星传动类产品的应用近些年来有逐步扩大之势，更多的专业厂家也把研发的重点放在了行星传动类产品上，由此也必将推动行星传动类产品技术水平的提高和应用的进一步普及。随着研发工作的深入和制造手段的加强，未来几年我国行星传动技术及产品的发展将会呈现如下特征：
(1) 传动装置大型化
传动装置的大型化不仅是许多生产设备大型化所提出的必然要求，而且现代制造水平的提高和手段的加强也为传动装置大型化提供了可能。如随着水泥生产线及矿井提升设备的大型化，为其配套的大型行星齿轮箱的传递功率及转矩也必然提高，由此便得其大型化也就再所避免。目前国外行星齿轮箱的传递功率最大已超过7000KW，预计国内在未来5~10年内亦将达到这一水平。在风电、水电的增速传动方面，未来几年兆瓦级产品的应用将会更加普遍，国外产品的比重将逐步下降。对水电增速箱，随着水力发电机组容量的提高，其大型化也就成为必然的要求。此外在南水北调及大型水力工程中，泵站传动行星齿轮箱的应用也会迅速推广，其传递功率将会达到4000KW。此外大功率行星齿轮箱预计在输送设备、石化设备、风机、隧道掘进及盾构设备上的应用也将逐步增多。
伴随着产品的大型化，现代设计技术如优化技术、有限元或边界元分析技术、可靠性设计技术、动力学分析技术等也都会在产品的开发设计中更多得以应用，由此使得产品的设计更加合理、科学，应用也更为可靠。与此同时，大型化所带来的一系列工艺制造问题也会促进相关人员积极探索其规律并妥善解决，这也必将促进我国传动