起重機變幅機構減速器高速軸斷裂分析*

陳敏 劉金 彭啟鳳

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起重機變幅機構減速器高速軸斷裂分析*

陳敏 劉金 彭啟鳳

（廣州特種機電設備檢測研究院）

為確定某門座起重機在發生臂架墜落事故時變幅機構減速器的高速軸發生斷裂的原因，分析軸斷裂時所受的應力分布及變形狀態，結合起重機變幅機構減速器高速軸的承載情況，建立有限元模型并進行計算分析。結果表明：高速軸應力最大時軸頸變形達到91.07 mm，從而推斷事故發生時，減速器高速軸在臂架墜落載荷和制動器瞬時制動的影響下發生斷裂。

起重機；斷軸；失效分析

0 　引言

世界經濟和國際貿易的快速發展，促進了港口貨物吞吐量的不斷增長，使得港口裝卸的需求量日益增加，門座式起重機已成為不可或缺的重要設備[1]。門座式起重機作為船廠和港口專用的裝卸和搬運機械設備，具有高效作業能力、低成本建設費用，機動性和通用性強等優點[2]。大型鋼絲繩變幅門座式起重機可進行散貨或標準集裝箱的裝卸，但因各種原因，使用過程中偶爾會發生安全事故，其中由于變幅系統失效而導致的事故占有一定的比例[3-4]。

起重機變幅機構通過改變幅度實現貨物水平運輸[5]。減速器是變幅機構的重要部件，其主要承載部件是減速器軸，起到承載軸上部件、傳遞轉矩和降低轉速的作用。減速器軸工況復雜，受力也比較復雜，尤其是減速器高速軸，轉速較高，且常受制動力矩的作用，易出現故障，可能導致重大事故，造成經濟損失和人員傷亡[6-7]。本文對某門座起重機發生事故時，變幅機構減速器軸發生斷裂的現象進行仿真分析，計算事故發生時減速器高速軸所受的應力應變分布狀態，推斷減速器高速軸發生斷裂的原因。

1　斷軸事故概述

某單臂架鋼絲繩變幅門座起重機發生臂架墜落事故，變幅機構減速器的高速軸同時發生斷裂，斷裂位置在軸頸處。經事故調查發現，由于聯軸器螺栓脫落，電機扭矩無法傳遞到減速器高速軸，變幅機構的支持制動器和安全制動器處于松閘狀態，導致變幅系統失控，臂架發生墜落。當安全制動器和支持制動器動作時，臂架下墜速度已經非?？?，4個制動器上閘制動仍無法阻止臂架繼續下墜。由此可初步推斷，在臂架高速下墜過程中，變幅卷筒通過聯軸器帶動變幅機構減速器軸反轉，造成減速器高速軸斷裂。為進一步定量分析發生斷裂的軸所承受的應力分布和變形狀態，分析高速軸承載情況，并進行仿真分析。變幅機構示意圖如圖1所示。

2　載荷分析

為便于有限元分析的加載，利用鋼絲繩與變幅卷筒之間的速度關系及減速箱低速軸與高速軸之間的傳動關系，將各部件所受的力矩折合到高速軸。

1）分析計算安全制動器剛開始制動時，減速器高速軸角速度大小。

2）分析計算安全制動器與高速軸制動器同時作用時，減速器高速軸的角速度。

將制動過程中臂架及吊鉤組對臂架下鉸點點的轉矩轉化為變幅卷筒的力矩，受力情況分析如圖2所示。

圖2　起重機臂架受力簡圖

此時，變幅卷筒力矩可表示為

可求得此時減速器高速軸的角速度為

3　有限元分析

3.1　 分析單元選取

由于減速器高速軸為同種類型的實體，選取實體單元建模，并通過單元與左右2個端面剛性耦合，以便施加力矩。

模型采用掃描方式劃分網格，網格劃分如圖3所示。

圖3　模型網格劃分圖

3.2　設置材料屬性

該起重機減速器高速軸材料為45鋼，密度為7850 kg/m3；楊氏模量參數為2.1 E+011；泊松比為0.3；屈服強度參數為3.55E+08；切向模量為8.84E+09。

3.3　載荷的施加

由于制動器約有0.04 s的延遲時間，啟動瞬間會造成較大的沖擊，產生的制動力矩高于額定制動力矩；0.4 s時，制動器施加有效制動力矩。高速軸上施加的力矩變化曲線如圖4所示，齒輪對高速軸施加的角速度載荷曲線如圖5所示。

3.4 　計算結果分析

由高速軸的變形云圖可以看出，高速軸應力最大時軸頸變形達到91.07 mm，即在臂架墜落載荷及制動器瞬時制動的影響下，高速軸發生斷裂。高速軸最大的應力及應變云圖如圖6、圖7所示。

圖4　制動力矩變化曲線

圖5 　齒輪對高速軸施加的載荷曲線

圖6 　高速軸最大應力云圖

圖7　高速軸最大變形云圖

結合事故調查，由仿真分析的計算結果可以得知：該起重機發生臂架墜落事故時，臂架在高速下墜過程中，通過變幅鋼絲繩帶動變幅卷筒快速反轉；卷筒通過聯軸器帶動變幅機構減速器低速軸反轉；變幅減速器高速軸嚴重超速；在臂架墜落載荷及制動器瞬時制動的影響下，變幅機構減速器的高速軸發生斷裂。

4　結語

在本次起重機臂架墜落事故中，變幅機構的安全制動器和支持制動器無法阻止臂架的高速墜落，即無法避免減速器高速軸的斷裂。事故調查發現，誘發此事故發生的緣由為聯軸器螺栓脫落。因此，在起重機使用過程中，日常維護保養尤為重要。此外，通過仿真分析計算反演再現事故發生時零部件的受力情況，可為事故原因的調查提供有效的幫助，在起重機各類事故中可廣泛應用。

[1] 陳敏,黃國健,吳粵平,等.基于有限元的門座起重機結構強度分析及應力測試[J].自動化與信息工程,2013,34(4):31-34.

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[6] 蔣晶,王永,潘軍遠,等.橋式起重機小車運行減速器斷軸事故分析[J].起重運輸機械,2016(6):87-90.

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Analysis on High-Speed Shaft’s Fracture of Luffing Mechanism of Portal Crane

Chen Min Liu Jin Peng Qifeng

(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing)

An Jib Falling accident occurs on a portal crane, at the same time , the high speed shaft of the reducer is broken. In order to determine the cause of the fracture of the high speed shaft and the stress and deformation of the shaft, we analyze the bearing capacity of the high speed shaft, and establish the finite element model. The results show that the maximum axial stress at high speed has reached the 91.07 mm, which means the shaft is broken under the influence of the load of the falling jib and the instantaneous the brake.

Crane; Shaft Breaking; Failure Analysis

陳敏，男，1988年生，工學碩士，主要研究方向：機械設備仿真分析與風險監測，起重機械安全評估等。E-mail: zidane2006@qq.com

基金項目：國家質監總局科技計劃項目（2017QK064）；廣東省質量技術監督局科技項目（2018CT32）；廣州市質量技術監督局科技項目（2018kj09）。