壓力容器用滾輪托架的常見故障分析和改進(jìn)

黃生慶 張聰華 朱朝利

（寶色特種設(shè)備有限公司）

應(yīng)用研究

壓力容器用滾輪托架的常見故障分析和改進(jìn)

黃生慶*張聰華 朱朝利

（寶色特種設(shè)備有限公司）

對(duì)自調(diào)心式滾輪托架的常見故障進(jìn)行分析并提出了改進(jìn)措施，以降低該類滾輪托架較高的故障率，同時(shí)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(jī) 壓力容器

0 概況

滾輪托架是化工設(shè)備生產(chǎn)的關(guān)鍵工裝設(shè)備，目前市場(chǎng)上主要有自調(diào)心式 （ZT型）和可調(diào)式 （KT型）等系列的滾輪托架。ZT型自調(diào)心式滾輪托架是利用主動(dòng)滾輪與工件之間的摩擦力帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)的變位設(shè)備，可根據(jù)工件直徑大小自動(dòng)調(diào)整滾輪組的擺角，無(wú)須人工操作，其傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。ZT型自調(diào)心式滾輪托架在使用中經(jīng)常出現(xiàn)如下故障：

（1）滾輪膠面局部磨損或剝落嚴(yán)重；

（2）惰輪輪軸與擺臂腹板的連接焊縫易開裂；

（3）傳動(dòng)齒輪打齒；

（4）蝸輪輪轂易碎裂；

（5）蝸輪齒冠時(shí)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(dòng)系統(tǒng)

（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(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)停機(jī)率較大則會(huì)影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。本文詳細(xì)剖析了故障產(chǎn)生的原因并提出了相應(yīng)的解決措施。

1 故障原因分析

1.1 操作者責(zé)任心不強(qiáng)

通常，壓力容器等設(shè)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(dāng)接管等部件隨殼體旋轉(zhuǎn)到滾輪托架的支撐部位時(shí)，若操作者沒有及時(shí)停車，而使?jié)L輪帶動(dòng)殼體繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，則接管等部件就會(huì)卡阻在膠輪處，筒體工件無(wú)法繼續(xù)在膠輪的摩擦力驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致滾輪托架超載。當(dāng)超載達(dá)到蝸輪輪轂的抗壓極限或鍵槽的抗壓極限時(shí)，二者中相對(duì)較弱的部位（即輪轂）將會(huì)產(chǎn)生碎裂，或造成鍵槽的工作面產(chǎn)生壓潰、剪切，甚至造成滾鍵等破壞。接管卡阻滾輪運(yùn)動(dòng)致使?jié)L輪托架損壞時(shí)的工況如圖2所示。

圖2 接管卡阻時(shí)滾輪托架工況

1.2 滾輪托架惰輪輪軸安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

原設(shè)計(jì)采用軸與筋板焊接結(jié)構(gòu)，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(diào)質(zhì)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(huì)導(dǎo)致焊接質(zhì)量和連接強(qiáng)度下降，進(jìn)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(zhì)量不佳，也易發(fā)生開焊，尤其是經(jīng)過(guò)受力疲勞更易造成惰輪支撐軸根部發(fā)生焊縫開裂并位移，從而導(dǎo)致齒輪嚙合位置改變，產(chǎn)生卡阻、打齒以及蝸輪蝸桿減速機(jī)薄弱環(huán)節(jié)的損壞。由于支撐軸焊接時(shí)無(wú)定位孔，采用人工找位并扶持焊接，故易導(dǎo)致惰輪軸線與主、從動(dòng)齒輪軸線不平行，致使各齒輪之間的嚙合狀態(tài)不理想，產(chǎn)生附加載荷。當(dāng)滾輪帶動(dòng)殼體進(jìn)行正反旋轉(zhuǎn)及制動(dòng)等動(dòng)作時(shí)，原本焊接質(zhì)量較差的輪軸易發(fā)生受力不均而產(chǎn)生震動(dòng)，致使焊縫產(chǎn)生疲勞開裂。此外，惰輪還將隨其軸線的改變而與主從動(dòng)齒輪的嚙合位置發(fā)生改變，最終導(dǎo)致主從動(dòng)齒輪卡阻而使設(shè)備產(chǎn)生過(guò)載，發(fā)生故障。惰輪輪軸原設(shè)計(jì)的安裝方式（改進(jìn)前）如圖3所示。

圖3 改進(jìn)前的惰輪軸安裝結(jié)構(gòu)

1.3 蝸輪蝸桿自鎖特性導(dǎo)致減速機(jī)及滾輪膠面損壞

由于工件 （設(shè)備殼體）的自重很大，橡膠與鋼表面的摩擦系數(shù)也較大，因此滾輪與工件之間可產(chǎn)生很大的摩擦力。工件在吊裝時(shí)電機(jī)均處于斷電停機(jī)狀態(tài)，滾輪托架傳動(dòng)鏈中因蝸輪蝸桿的存在而產(chǎn)生自鎖。起吊時(shí)，由于工件較大，鋼絲繩捆綁點(diǎn)不可能正好位于工件的中心面上，即起吊時(shí)鋼絲繩在非重力延伸線上產(chǎn)生繩索自鎖，繼續(xù)起吊時(shí)將帶動(dòng)工件產(chǎn)生附加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于摩擦力的存在，工件在起吊時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力經(jīng)過(guò)膠輪、齒輪傳遞至蝸輪蝸桿減速機(jī)，而蝸輪蝸桿的自鎖特性使動(dòng)力傳遞至此結(jié)束。這樣起吊過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊力直接作用于減速機(jī)上，當(dāng)沖擊力超過(guò)輪轂的耐受強(qiáng)度時(shí)，輪轂將會(huì)碎裂，也可能使得蝸桿軸承壓蓋等強(qiáng)度較薄弱的部位產(chǎn)生碎裂。同時(shí)在起吊過(guò)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(chǎn)生劇烈的滑動(dòng)摩擦，從而使膠輪表面損傷。工件 （設(shè)備殼體）起吊時(shí)滾輪托架工況如圖4所示。

圖4 工件起吊時(shí)滾輪托架工況

反之，當(dāng)工件吊放至滾輪托架上時(shí)，由于工件尺寸較大 （直徑達(dá)4 m），自重大 （一般質(zhì)量均為幾十噸），人工操作很難控制工件位于自調(diào)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(chǎn)生在所難免，將會(huì)產(chǎn)生與起吊時(shí)相同的故障。

1.4 其他因素

當(dāng)采用鋼質(zhì)蝸輪輪轂時(shí)，由于輪轂的強(qiáng)度加強(qiáng)，一旦出現(xiàn)上述不恰當(dāng)操作時(shí)，相對(duì)強(qiáng)度較弱的蝸桿軸端壓蓋就會(huì)首先損壞。

綜上所述，滾輪托架無(wú)機(jī)械安全過(guò)載防護(hù)裝置、蝸輪蝸桿傳動(dòng)的自鎖特性以及惰輪軸安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理是造成上述故障的直接原因。

2 改進(jìn)措施

由于電機(jī)輸出軸部分的轉(zhuǎn)矩較末端滾輪部分小很多，故在電機(jī)輸出與蝸輪蝸桿減速機(jī)之間加裝三角牙形的牙嵌式過(guò)載離合器，該離合器臨界分離扭矩根據(jù)滾輪托架的額定載荷計(jì)算并修正后設(shè)定。當(dāng)滾輪托架發(fā)生過(guò)載時(shí)，牙嵌式離合器動(dòng)作，隔離減速機(jī)與工件之間的傳動(dòng)，保護(hù)滾輪其他部件不受損壞。同時(shí)，在蝸輪蝸桿減速機(jī)之后的傳動(dòng)鏈中加裝手動(dòng)離合器，在工件吊裝作業(yè)時(shí)使傳動(dòng)鏈在減速機(jī)之后分離，沒有蝸輪蝸桿的自鎖，工件在膠輪上由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，不會(huì)損壞膠輪膠面，從而延長(zhǎng)膠輪的使用壽命。但傳動(dòng)系統(tǒng)在受力時(shí)手動(dòng)離合器很難保證同時(shí)離合，有可能導(dǎo)致新的故障。

改變傳動(dòng)方式，采用沒有自鎖特性的擺線針輪減速機(jī)替代原蝸輪蝸桿減速機(jī)，將原先的一條主傳動(dòng)鏈帶兩個(gè)分支機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式改成兩條各自獨(dú)立的傳動(dòng)鏈進(jìn)行傳動(dòng) （改進(jìn)后的滾輪托架傳動(dòng)系統(tǒng)如圖5所示），且由一套電氣控制系統(tǒng)控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)。選用的電動(dòng)機(jī)和擺線針輪減速機(jī)結(jié)構(gòu)上特性應(yīng)一致，且經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)主動(dòng)輪同步后方可使用。電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)擺線針輪減速機(jī)傳遞到齒輪1處。由于擺線針輪減速機(jī)無(wú)自鎖特性，故不會(huì)產(chǎn)生因自鎖而導(dǎo)致的故障。在進(jìn)行偏載工件加工時(shí)，為了規(guī)避由于擺線針輪減速機(jī)不自鎖而發(fā)生意外旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故應(yīng)選用帶手動(dòng)制動(dòng)器的電機(jī)，以增加此種方式傳動(dòng)對(duì)工件加工的適應(yīng)性和安全性。目前，這種傳動(dòng)方式的滾輪托架已有廠家生產(chǎn)，且在實(shí)際使用過(guò)程中效果良好，故障率很低。還可在電機(jī)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(tǒng)在誤操作過(guò)載時(shí)切斷電機(jī)電源，避免傳動(dòng)系統(tǒng)的損壞。

圖5 改進(jìn)后的滾輪托架傳動(dòng)系統(tǒng)

在惰輪軸位置對(duì)應(yīng)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(shí)焊接質(zhì)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(dāng)而造成的故障。改進(jìn)后的惰輪軸安裝結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的惰輪軸安裝結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

寶色特種設(shè)備有限公司根據(jù)上述的分析對(duì)滾輪托架成功地進(jìn)行了相應(yīng)的改造。改造后，滾輪托架的輸入功耗降低了近70%，節(jié)能效果顯著；設(shè)備的可靠性得到明顯提升，膠輪、傳動(dòng)齒輪、惰輪軸等使用壽命提升4倍以上，大大降低了設(shè)備維修費(fèi)用。滾輪托架的成功改造為生產(chǎn)的順利進(jìn)行奠定了很好的基礎(chǔ)，取得了非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的借鑒和推廣意義。

[1]鞏云鵬，田萬(wàn)祿.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：減（變）速器·電機(jī)與電器[M].5版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[3]高澤遠(yuǎn)，王金.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) [M].沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，1987.

[4]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)聯(lián)合編寫組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：上冊(cè) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1979.

[5]中國(guó)紡織大學(xué)工程圖學(xué)教研室.畫法幾何及工程制圖[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1984.

[6]汪愷.機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊(cè)：第二卷 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

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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。