下旋轉(zhuǎn)電磁掛梁起重機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器殼體破裂分析及對(duì)策

張志發(fā)

【摘 要】針對(duì)我公司為邯鋼、重鋼、凌鋼等多家鋼廠承制的多部下旋轉(zhuǎn)電磁掛梁起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)三合一減速器，安裝法蘭盤(pán)及殼體出現(xiàn)不同程度破裂現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)減速器輸出軸承受工作載荷和沖擊載荷的受力及減速器殼體破裂處強(qiáng)度的分析，提出引發(fā)減速器殼體破裂的因素，并制定完善改進(jìn)對(duì)策，徹底消除故障現(xiàn)象。

【關(guān)鍵詞】建筑機(jī)械；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器；殼體破裂；載荷分析；復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)

0 引言

下旋轉(zhuǎn)電磁掛梁、夾鉗冶金起重機(jī)是煉鋼廠連鑄連扎跨上板坯搬運(yùn)、堆垛作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，整機(jī)工作級(jí)別極高屬超重級(jí)，工作強(qiáng)度極大幾乎是24小時(shí)連續(xù)作業(yè)，邯鋼16+16噸、重鋼40+40噸、凌鋼20+20噸不同規(guī)格的下旋轉(zhuǎn)電磁吊在使用幾個(gè)月之后，都先后出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)三合一減速器安裝法蘭盤(pán)或殼體下部破裂的現(xiàn)象，更換上新的減速器，在使用大約三個(gè)多月或半年之后又出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。為保證設(shè)備安全運(yùn)行，查明引發(fā)破裂的原因，我們既從理論上分析，又在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了參數(shù)測(cè)量。

1 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式

下旋轉(zhuǎn)電磁掛梁起重機(jī)旋轉(zhuǎn)掛梁的典型機(jī)構(gòu)型式如圖1所示：

圖1

它是由固定掛梁、回轉(zhuǎn)支承、旋轉(zhuǎn)掛梁、電磁盤(pán)四大部分組成。固定掛梁上部靠起升機(jī)構(gòu)繩系與起重機(jī)上部小車的起升機(jī)構(gòu)的卷筒相連，下部通過(guò)回轉(zhuǎn)支承與旋轉(zhuǎn)掛梁相連，而電磁盤(pán)是則掛在旋轉(zhuǎn)掛梁上的。起重機(jī)小車起升機(jī)構(gòu)起升卷筒正反轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)小車上和固定掛梁上滑輪組及鋼絲繩組成的繩系完成整個(gè)旋轉(zhuǎn)電磁掛梁及工件的上、下垂直運(yùn)動(dòng)。而旋轉(zhuǎn)電磁掛梁的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是靠旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)完成對(duì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是由一臺(tái)（兩臺(tái)）三合一行星擺線針輪減速器上安裝的小齒輪驅(qū)動(dòng)大外齒回轉(zhuǎn)支承（012.45.1400），回轉(zhuǎn)支承帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)掛梁轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成掛梁及電磁吸盤(pán)下的鋼坯、型鋼或線棒材往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的。掛梁回轉(zhuǎn)速度通常為：0.8～1.5r/min；回轉(zhuǎn)范圍為：0～180度。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)三合一減速器結(jié)構(gòu)形式：

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器通常采用進(jìn)口（如SEW或弗蘭德）或國(guó)產(chǎn)三合一減速器，它的電機(jī)部分采用自帶制動(dòng)且?guī)謩?dòng)釋放功能的鼠籠電機(jī)，電源380V，50Hz，功率通常為1.5～4.4 kW，轉(zhuǎn)速1400r/min；減速器為雙極行星擺線針輪減速器，速比通常在80～130內(nèi)。

2 殼體破裂產(chǎn)生原因分析

2.1 殼體破裂部位

通過(guò)我們?cè)诓煌鹿尸F(xiàn)場(chǎng)的觀察，各家下旋轉(zhuǎn)電磁掛梁起重機(jī)減速器殼體破裂的部位，幾乎都是在行星減速器連接法蘭以上低級(jí)部分行星輪運(yùn)行腔體外殼處（如圖所示區(qū)域），個(gè)別也有連接法蘭盤(pán)連接螺栓孔處破裂的。

2.2 工作狀態(tài)分析

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部件在設(shè)計(jì)選型時(shí)，考慮到該種類起重機(jī)工作級(jí)超重級(jí)（A7以上），作業(yè)率極高，幾乎是24小時(shí)全天候工作，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)在起吊鋼坯、型鋼或線棒材時(shí)，理論上需要起重機(jī)駕駛室內(nèi)的司機(jī)和地面指揮人員的相互配合，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作時(shí)往往僅憑駕駛員根據(jù)觀察和感覺(jué)進(jìn)行吸吊，如果磁盤(pán)中心與重物重心偏斜太多，則掛梁出現(xiàn)歪斜現(xiàn)象較頻繁。同時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在大、小車運(yùn)行中同步工作，平均每個(gè)作業(yè)循環(huán)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)率大于80%，因此，從電機(jī)功率、減速器輸出扭矩、小齒輪強(qiáng)度到回轉(zhuǎn)支承承載能力均留有足夠的安全裕度。只是對(duì)三合一旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計(jì)要求軟起動(dòng)鼠籠電機(jī)，而實(shí)際使用的三合一減速器電機(jī)均為普通鼠籠式制動(dòng)電機(jī)。

2.3 殼體破裂原因分析

現(xiàn)場(chǎng)首先對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)齒輪副工作間隙，即外嚙合的小齒輪與回轉(zhuǎn)支承大齒輪嚙合處的齒側(cè)間隙，進(jìn)行了測(cè)量和調(diào)整，齒側(cè)間隙合適，均在0.5mm～1mm之間，齒輪系嚙合良好，齒面未出現(xiàn)嚴(yán)重磨損現(xiàn)象，不存在由于齒輪制造誤差和回轉(zhuǎn)支承的彈性變形可能引起齒輪卡死現(xiàn)象。因此可以排除因齒輪副嚙合方面存在嚙合死角造成減速器輸出軸徑向載荷過(guò)大的因素。

該類起重機(jī)工作狀態(tài)特殊，旋轉(zhuǎn)掛梁要在工作中滿載狀態(tài)下不停反復(fù)回轉(zhuǎn)，調(diào)整角度，這完全靠三合一減速器旋轉(zhuǎn)電機(jī)的不停地起、制動(dòng)，換向后再突然起、制動(dòng)來(lái)完成，由于鼠籠電機(jī)起、制動(dòng)力矩很大，產(chǎn)生了很大的沖擊載荷，再加上旋轉(zhuǎn)掛梁電磁吸盤(pán)下的鋼坯多為長(zhǎng)度在6～12m的數(shù)根并排的長(zhǎng)鋼坯，在回轉(zhuǎn)過(guò)程中突然起、制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩就十分巨大，而且磁盤(pán)吸鋼坯時(shí)出現(xiàn)歪斜現(xiàn)象頻繁致使掛梁產(chǎn)生傾斜力矩都全部作用在減速器輸出軸上，再由圓柱出軸倒傳給擺線輪，擺線輪傳給針齒銷，再通過(guò)針齒套最后作用在針齒殼上，對(duì)針齒殼產(chǎn)生一個(gè)很大的徑向沖擊力，這個(gè)徑向沖擊力直接作用在行星輪腔體內(nèi)壁上，由于行星減速器殼體材料多為鑄鐵件，它的承載強(qiáng)度本身就不高，承載能力弱，而且鑄造殼體內(nèi)部多數(shù)隱藏著不被發(fā)現(xiàn)的鑄造缺陷，當(dāng)它承受的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)它的強(qiáng)度承受范圍時(shí)，便在此處產(chǎn)生破裂。因此，沖擊載荷是造成減速器殼體破裂的關(guān)鍵因素。

另外，三合一減速器與固定掛梁的連接是采用法蘭盤(pán)止口定位后，通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接的。由于慣性載荷產(chǎn)生的徑向載荷很大，必然會(huì)引起減速器法蘭盤(pán)與固定掛梁結(jié)合面的相對(duì)位移和晃動(dòng)，再加上輸出軸端的力和力矩本身是脈動(dòng)的，而擺線輪對(duì)輸出軸的作用力是變化的，因此就使得減速器法蘭盤(pán)相對(duì)于固定掛梁止口結(jié)合面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變位移，也就是對(duì)連接高強(qiáng)螺栓產(chǎn)生一個(gè)剪切力，會(huì)對(duì)連接螺栓起到破壞作用，同時(shí)由于反作用力，由于個(gè)別連接法蘭盤(pán)厚度偏薄，其強(qiáng)度降低，連接螺栓孔中心離法蘭盤(pán)邊緣較近，使得螺栓孔壁較薄，因此會(huì)造成該處破裂，也就是我們前面提到的個(gè)別減速器法蘭盤(pán)破裂現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

3 完善對(duì)策

針對(duì)上述原因，我們將旋轉(zhuǎn)三合一減速器上的普通電機(jī)改為變頻調(diào)速電機(jī)，相應(yīng)的普通電氣控制改為變頻器PLC控制。由于變頻電機(jī)調(diào)速性能好，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑的無(wú)級(jí)變速，可在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)連續(xù)控制，起、制動(dòng)平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的軟起動(dòng)，徹底消除由電機(jī)起動(dòng)力矩突增帶來(lái)的沖擊性載荷，極大地改善了減速器出軸上的受力狀況，使得困擾我們的減速器殼體破裂問(wèn)題迎刃而解。通常，在這類旋轉(zhuǎn)電磁掛梁起重機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，我們會(huì)把起升機(jī)構(gòu)和大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)均設(shè)計(jì)成變頻控制，而唯一忽略了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻控制的必要性，采用普通控制，也就是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不是變頻調(diào)速。事實(shí)證明，恰恰是這一點(diǎn)出了問(wèn)題，今后再設(shè)計(jì)此類起重機(jī)時(shí)，一定要按全變頻控制設(shè)計(jì)。

同時(shí)值得一提的是，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)小齒輪與回轉(zhuǎn)支承的安裝精度及齒輪副的齒輪嚙合間隙的調(diào)整，也要經(jīng)常檢查，嚴(yán)格保證，同時(shí)，盡量避免吸吊鋼坯時(shí)歪斜現(xiàn)象的出現(xiàn)，對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性都有很大的好處，也同樣應(yīng)該引起我們足夠的重視。

另外，在選擇國(guó)產(chǎn)行星擺線針輪減速器時(shí)，應(yīng)注意其自身的產(chǎn)品質(zhì)量，尤其是減速器殼體的強(qiáng)度和剛度以及連接法蘭盤(pán)的厚度都應(yīng)有嚴(yán)格的保證。

我公司先后對(duì)上述幾家單位的下旋轉(zhuǎn)電磁掛梁起重機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)改制，改制后平穩(wěn)運(yùn)行一年多來(lái)均未再出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器殼體破裂的現(xiàn)象。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：許麗]