起重機滑輪結構升級改造方案

王海波 李 奔 付 欣 高梓瑄

曹妃甸港集團股份有限公司

1 引言

曹妃甸港集團股份有限公司弘毅碼頭是以散貨卸船為主的現代化碼頭，2012年底投產，主要從事煤炭、礦石的卸船作業任務，年吞吐量超2 500萬t。目前公司有四連桿型港口門座起重機(以下簡稱門機)24臺，另有多臺各類輔助裝卸設備。

門機是公司裝卸作業的核心設備，承擔全部裝卸船作業任務，自2017年至今多次發生臂架滑輪故障情況。通過整理、研究歷次故障情況，并結合日常檢查及相關計算，理清了故障經過及故障產生原因。針對故障根源，依據設備實際情況、備件庫存情況不斷優化改造方案，最終在保證維修質量的前提下，使維修費用、工程量降至較低水平。

2 原有情況

本碼頭的24臺門機，均為MQ4043型，其主要參數見表1。

表1 弘毅碼頭門機參數表

每臺門機起升機構在人字架頂部、最高點、額頭3個位置設有鋼繩拐點，每個拐點有2組共4個滑輪，全部采用NNF5036軸承結構。該軸承型號較為特殊，為自帶密封蓋的滿裝雙列帶止動卡簧槽的輕型圓柱滾子軸承，且在實際生產中多設計成過渡甚至間隙配合。結構詳細結構見圖1。

圖1 NNF5036軸承滑輪組結構

雖然采用該軸承的滑輪組件結構簡單、組裝方便、更換維修操作性強，但使用該型軸承的滑輪結構自2017年5月至今，多次發生軸承甚至滑輪主體、滑輪軸損毀情況，具體損壞清單見表2。

表2 自2017年5月～2020年3月碼頭滑輪組損壞情況清單

歷次損壞過程均為突發性損壞，且損壞程度較高，損壞的NNF5036軸承出現整體碎裂，內外滾道、滾動體完全破碎。因軸承沒有保持架，也沒有止動端蓋的保護，鐵質碎塊直接自高空掉落至地面，存在極大的安全隱患。

經過仔細檢查損壞現場情況，發現全部滑輪結構損壞均存在半邊損壞嚴重、滑輪主體止動卡簧結構損壞、滑輪主體一側面有磨痕的情況。結合日常檢查中發現卡簧受沖擊脫離卡簧槽的情況，認定損壞的起因為：受負載軸向沖擊或滑輪軸水平度不足等因素影響，滑輪主體止動卡簧槽過載導致損毀；導致滑輪主體與軸承發生相互運動，滑輪局部偏載，最終軸承損毀。

滿載散貨工況下，3個拐點各位置滑輪均衡受力時額定載荷見表3。

表3 各拐點位置滑輪額載情況表

考慮到開閉鋼絲繩在抓斗閉斗作業時的實際作業工況以及1.1倍沖擊載荷，各滑輪的實際最大負載見表4。

經過查閱機械設計手冊：NNF5036軸承，額定徑向載荷560 kN，不能承受軸向載荷[1]。如考慮起升沖擊、回轉加速等其他實際情況，極易發生超載。

在日常檢查中卡簧槽結構被潤滑脂包圍，如有輕微脫槽難以察覺。而一旦整體脫槽，過渡或間隙配合的滑輪主體與軸承極易出現錯位，半邊甚至更短范圍受載的NNF5036軸承，在滿載作用力下將會嚴重超載，僅需1個作業循環就會導致軸承損壞，故障的突發性較高。

另外，回轉加速時，抓斗的切向加速度通過鋼絲繩傳遞給滑輪的結構，最終由軸承的軸向力提供支持，因此額頭位置在回轉加速時受側向力明顯，且受力值隨加速時間及門機幅度大小變化，綜合計算每個滑輪約有7 kN的軸向力。

綜上認定：最高點位置軸承損壞主要原因是超負荷，誘因是回轉、滑輪軸傾斜等因素產生的滑輪軸向力導致的軸承卡簧槽失效；額頭位置軸承損壞主要原因是帶載回轉產生的軸向力導致的軸承卡簧槽失效，進而導致滑輪主體與軸承錯位，軸承局部過載損壞。

3 改進方案

依據確定的故障原因，初步決定將原軸承更換為軸向、徑向負載能力更強的軸承，并增設端蓋以提高軸向止動性能，進行升級改造。

檢查發現庫房尚有較多NNF5036軸承備件，如直接采用高強度軸承必然導致現有備件浪費，故又提出能否采用在原基礎上加強的方案。

在查閱圖紙過程中還發現，拐點各位置滑輪間距不同，具體情況見圖2。

圖2 人字架頂端、最高點、額頭位置滑輪軸線間距圖

該區別導致鋼繩在各組滑輪之間呈喇叭口狀樣式，雖然偏角極小基本對受力沒有影響，但對滑輪結構的端蓋布置產生較大影響[2]。

在查閱圖紙過程中還發現，因原設計利用了NNF5036軸承自帶的密封蓋及止動卡簧槽，沒有為端蓋、密封唇預留安裝位置，滑輪組結構極為緊湊，滑輪組兩側的支撐耳板間距僅有352 mm。滑輪間距有160 mm、175 mm兩種。新改造的滑輪組必須能夠放置在352 mm寬的兩支撐耳板之間。經過多次優化設計最終決定采用2套方案。

3.1 補強方案(方案1)

盡量沿用原零部件，僅在滑輪主體兩端加設軸承止動端蓋，提高軸承的軸向承載能力，并有效防止損壞的軸承碎塊掉落。因原設計并沒有考慮設置端蓋，故滑輪間距較小，僅有6 mm，經過多次與生產單位溝通最終確定了端蓋的詳細圖紙，設計為超薄結構。端蓋具體圖紙見圖3。

圖3 方案1端蓋

雖然該方案對滑輪的增強效果有限，但可適當消耗庫存備件，降低物資消耗量。結合考慮額頭位置滑輪間距較大，且受軸向負載損壞情況更多，故決定使用在該位置。

3.2 整體增強方案(方案2)

經過對其他廠家結構方案、機械原理等進行仔細分析，決定采用6236+NJ236雙軸承，并設置端蓋、止動軸套的方式進行整體增強。具體結構見圖4。

圖4 方案2整體圖

NJ236軸承可承載徑向額載荷625 kN，6236軸承可承受徑向額載 227 kN，軸向額載112 kN[3]。2個軸承組隊安裝，可承載額定載荷徑向約880 kN，軸向載荷100 kN，完全滿足使用要求。

為了適應強度更高的新結構，對滑輪端蓋及軸套都進行了重新設計。對滑輪、端蓋進行加強后，滑輪間距也必須進行適當調整。NNF5036軸承寬度136 mm，自帶密封唇、止動卡簧，而調整后需增設密封唇、止動圈等結構，單個滑輪組件的寬度達到158 mm，如滑輪軸線間距160 mm不變，滑輪間距將降到2 mm，因此必須適當調整。將滑輪軸線間距調整為166 mm后，滑輪間距為8 mm。

4 現場實施

為最大限度挖掘設備使用潛力，決定采用備齊維修工具，一壞一換的策略。一旦出現軸承損壞故障，立即拆除原滑輪組結構，并檢查損壞程度。如僅軸承損壞，則采用補強方案1，更換軸承、加設端蓋；如滑輪內圈已經損壞，則采用全新結構方案2，整套更換為雙軸承滑輪組。由此可以最大程度保證設備質量，也可以使相關庫存得到有效利用。

5 結語

以上綜合方案的實施，有效縮短了故障停機時間，提高了生產效率，解決了實際問題，為類似故障提供了解決方案。