壓力容器用滾輪托架的常見故障分析和改進

黃生慶 張聰華 朱朝利

（寶色特種設備有限公司）

應用研究

壓力容器用滾輪托架的常見故障分析和改進

黃生慶*張聰華 朱朝利

（寶色特種設備有限公司）

對自調心式滾輪托架的常見故障進行分析并提出了改進措施，以降低該類滾輪托架較高的故障率，同時提高滾輪托架工作的可靠性、安全性。

滾輪托架 蝸輪蝸桿 自鎖 摩擦 減速機 壓力容器

0 概況

滾輪托架是化工設備生產的關鍵工裝設備，目前市場上主要有自調心式 （ZT型）和可調式 （KT型）等系列的滾輪托架。ZT型自調心式滾輪托架是利用主動滾輪與工件之間的摩擦力帶動工件旋轉的變位設備，可根據工件直徑大小自動調整滾輪組的擺角，無須人工操作，其傳動系統如圖1所示。ZT型自調心式滾輪托架在使用中經常出現如下故障：

（1）滾輪膠面局部磨損或剝落嚴重；

（2）惰輪輪軸與擺臂腹板的連接焊縫易開裂；

（3）傳動齒輪打齒；

（4）蝸輪輪轂易碎裂；

（5）蝸輪齒冠時有斷齒或開裂；

（6）蝸輪支撐軸易滾鍵和軸頸拉傷；

圖1 ZT型滾輪托架傳動系統

（7）蝸桿工作面啃傷、軸線彎曲以及其軸承壓蓋碎裂等。

這些故障直接增加了維修成本和維修人員的勞動強度，同時停機率較大則會影響生產的正常進行。本文詳細剖析了故障產生的原因并提出了相應的解決措施。

1 故障原因分析

1.1 操作者責任心不強

通常，壓力容器等設備的殼體表面均需要焊接或多或少的接管或管箱等部件。當接管等部件隨殼體旋轉到滾輪托架的支撐部位時，若操作者沒有及時停車，而使滾輪帶動殼體繼續旋轉，則接管等部件就會卡阻在膠輪處，筒體工件無法繼續在膠輪的摩擦力驅動下旋轉，最終導致滾輪托架超載。當超載達到蝸輪輪轂的抗壓極限或鍵槽的抗壓極限時，二者中相對較弱的部位（即輪轂）將會產生碎裂，或造成鍵槽的工作面產生壓潰、剪切，甚至造成滾鍵等破壞。接管卡阻滾輪運動致使滾輪托架損壞時的工況如圖2所示。

圖2 接管卡阻時滾輪托架工況

1.2 滾輪托架惰輪輪軸安裝結構設計不合理

原設計采用軸與筋板焊接結構，筋板采用焊接性能較好的低碳鋼，而支撐軸一般采用45中碳鋼并做調質處理。由于中碳鋼的焊接性能較差，故直接采用焊接的連接方式會導致焊接質量和連接強度下降，進而影響支撐軸與筋板連接的牢固性和可靠性。焊縫由于未焊透或焊接質量不佳，也易發生開焊，尤其是經過受力疲勞更易造成惰輪支撐軸根部發生焊縫開裂并位移，從而導致齒輪嚙合位置改變，產生卡阻、打齒以及蝸輪蝸桿減速機薄弱環節的損壞。由于支撐軸焊接時無定位孔，采用人工找位并扶持焊接，故易導致惰輪軸線與主、從動齒輪軸線不平行，致使各齒輪之間的嚙合狀態不理想，產生附加載荷。當滾輪帶動殼體進行正反旋轉及制動等動作時，原本焊接質量較差的輪軸易發生受力不均而產生震動，致使焊縫產生疲勞開裂。此外，惰輪還將隨其軸線的改變而與主從動齒輪的嚙合位置發生改變，最終導致主從動齒輪卡阻而使設備產生過載，發生故障。惰輪輪軸原設計的安裝方式（改進前）如圖3所示。

圖3 改進前的惰輪軸安裝結構

1.3 蝸輪蝸桿自鎖特性導致減速機及滾輪膠面損壞

由于工件 （設備殼體）的自重很大，橡膠與鋼表面的摩擦系數也較大，因此滾輪與工件之間可產生很大的摩擦力。工件在吊裝時電機均處于斷電停機狀態，滾輪托架傳動鏈中因蝸輪蝸桿的存在而產生自鎖。起吊時，由于工件較大，鋼絲繩捆綁點不可能正好位于工件的中心面上，即起吊時鋼絲繩在非重力延伸線上產生繩索自鎖，繼續起吊時將帶動工件產生附加旋轉運動。由于摩擦力的存在，工件在起吊時產生的動力經過膠輪、齒輪傳遞至蝸輪蝸桿減速機，而蝸輪蝸桿的自鎖特性使動力傳遞至此結束。這樣起吊過程中會產生很大的沖擊力直接作用于減速機上，當沖擊力超過輪轂的耐受強度時，輪轂將會碎裂，也可能使得蝸桿軸承壓蓋等強度較薄弱的部位產生碎裂。同時在起吊過程中，工件未吊離滾輪托架膠輪期間，工件與滾輪膠面之間產生劇烈的滑動摩擦，從而使膠輪表面損傷。工件 （設備殼體）起吊時滾輪托架工況如圖4所示。

圖4 工件起吊時滾輪托架工況

反之，當工件吊放至滾輪托架上時，由于工件尺寸較大 （直徑達4 m），自重大 （一般質量均為幾十噸），人工操作很難控制工件位于自調心式滾輪托架的正中心，也很難做到將工件輕緩放落于滾輪上，故沖擊力的產生在所難免，將會產生與起吊時相同的故障。

1.4 其他因素

當采用鋼質蝸輪輪轂時，由于輪轂的強度加強，一旦出現上述不恰當操作時，相對強度較弱的蝸桿軸端壓蓋就會首先損壞。

綜上所述，滾輪托架無機械安全過載防護裝置、蝸輪蝸桿傳動的自鎖特性以及惰輪軸安裝結構設計不合理是造成上述故障的直接原因。

2 改進措施

由于電機輸出軸部分的轉矩較末端滾輪部分小很多，故在電機輸出與蝸輪蝸桿減速機之間加裝三角牙形的牙嵌式過載離合器，該離合器臨界分離扭矩根據滾輪托架的額定載荷計算并修正后設定。當滾輪托架發生過載時，牙嵌式離合器動作，隔離減速機與工件之間的傳動，保護滾輪其他部件不受損壞。同時，在蝸輪蝸桿減速機之后的傳動鏈中加裝手動離合器，在工件吊裝作業時使傳動鏈在減速機之后分離，沒有蝸輪蝸桿的自鎖，工件在膠輪上由滑動摩擦變為滾動摩擦，不會損壞膠輪膠面，從而延長膠輪的使用壽命。但傳動系統在受力時手動離合器很難保證同時離合，有可能導致新的故障。

改變傳動方式，采用沒有自鎖特性的擺線針輪減速機替代原蝸輪蝸桿減速機，將原先的一條主傳動鏈帶兩個分支機構的傳動方式改成兩條各自獨立的傳動鏈進行傳動 （改進后的滾輪托架傳動系統如圖5所示），且由一套電氣控制系統控制兩臺電動機。選用的電動機和擺線針輪減速機結構上特性應一致，且經過實測主動輪同步后方可使用。電動機的動力經擺線針輪減速機傳遞到齒輪1處。由于擺線針輪減速機無自鎖特性，故不會產生因自鎖而導致的故障。在進行偏載工件加工時，為了規避由于擺線針輪減速機不自鎖而發生意外旋轉運動，故應選用帶手動制動器的電機，以增加此種方式傳動對工件加工的適應性和安全性。目前，這種傳動方式的滾輪托架已有廠家生產，且在實際使用過程中效果良好，故障率很低。還可在電機與擺線針輪之間加裝扭力限制器，或在滾輪輸入軸端部加裝安全離合器 （方法同前），以確保系統在誤操作過載時切斷電機電源，避免傳動系統的損壞。

圖5 改進后的滾輪托架傳動系統

在惰輪軸位置對應的壁板上開孔，以保證軸線的正確定位，從而確保各齒輪的正確嚙合。由于采用焊接安裝方式時焊接質量不易保證，故可采用螺紋連接或法蘭螺栓連接，以確保惰輪軸安裝精度及牢固可靠，從而大大減少因惰輪軸的連接方式不當而造成的故障。改進后的惰輪軸安裝結構如圖6所示。

圖6 改進后的惰輪軸安裝結構

3 結論

寶色特種設備有限公司根據上述的分析對滾輪托架成功地進行了相應的改造。改造后，滾輪托架的輸入功耗降低了近70%，節能效果顯著；設備的可靠性得到明顯提升，膠輪、傳動齒輪、惰輪軸等使用壽命提升4倍以上，大大降低了設備維修費用。滾輪托架的成功改造為生產的順利進行奠定了很好的基礎，取得了非常顯著的經濟效益，具有一定的借鑒和推廣意義。

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Analysis and Improvement of Roller Bracket Common Fault for Pressure Vessel

Huang Shengqing Zhang Conghua Zhu Zhaoli

This paper analyzes the common fault of self-aligning roller bracket,and puts forward some improvement measures to reduce the failure rate of this kind of roller bracket,and improve the reliability and safety of the roller bracket.

Roller bracket;Worm and gear;Self-locking;Friction;Reducer;Pressure vessel

TQ 050.5

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.08.007

2016-10-26）

*黃生慶，男，1976年生，工程師。寶雞市，721014。