跑合試驗對螺桿變幅機構的必要性的實例分析

劉雷 徐萍

摘要：變幅機構是門座機上的重要工作機構，螺桿變幅機構更頻繁的使用在船廠門座機，以解決重載大幅度的作業工況，其關鍵部位均為非標設計，通過齒輪嚙合和螺紋嚙合進行驅動，并采用循環油浴潤滑。螺桿變幅機構在出廠前需要進行空載及輕載跑合試驗，以清除嚙合鐵屑，并核查變幅機構的運行平穩性。

關鍵詞：螺桿變幅機構;螺母螺桿嚙合;膠合磨損;跑合試驗

中圖分類號：TH458? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0057-02

0? 引言

螺桿變幅機構常用于船廠門座機的臂架系統變幅驅動，其承載能力較大，適合船廠門座機重載大幅度的作業工況，屬于門座機上的關鍵部件，其性能的好壞對門座機影響極大;其次，變幅機構的驅動包含齒輪嚙合、螺母螺桿嚙合，嚙合部位均為循環油浴潤滑;同時，螺桿變幅機構與臂架平衡系統緊密相關，需要非標設計。因此，出廠前的機構跑合顯得尤為重要。

本文以某船廠門座機螺桿變幅機構為例，通過實際情況來分析來論證變幅機構跑合的必要性。

1? 現象描述

因業主方供貨時間緊迫，門座機的變幅機構與常規的起升機構等一樣，通過手盤方式粗略驗證變幅機構動作。并未經充分跑合就直接安裝到門機上。現場第一次試車，著重驗證臂架平衡系統的最大最小幅度是否可以達到，通過手盤變幅機構將臂架幅度由最大幅度調節到中間幅度位置。等再次動作時，變幅機構微動后，就不再動作。

螺桿變幅機構整體拆解返廠后，將各傳動部位全部分開檢查。經查，如圖1所示，小齒輪有兩個齒嚙合面磨損嚴重;大齒輪與殼體之間有顆粒物掉出，且分開后殼體上有較深的劃痕，如圖2和圖3所示。其余位置未發現明顯異常。

2? 原因分析

螺桿變幅機構的工作原理是，電動機驅動減速箱，減速箱低速軸套裝小齒輪，小齒輪通過嚙合帶動大齒輪轉動，大齒輪通過鍵傳動帶動鋼套及與鋼套緊配合的前后螺母轉動，螺母與螺桿嚙合，將螺母的轉動轉化為螺桿往復運動。其中，采用前后螺母可以適當解決螺桿正反沖擊問題。鋼套通過一對推力調心滾子軸承和一對深溝球軸承實現其軸向和徑向與殼體的固定。殼體與其后方的罩殼形成螺母螺桿嚙合區域的密閉箱體;殼體與齒輪罩殼以及隨螺桿一同伸縮的伸縮套形成另一個密閉箱體。兩個箱體理論上相互獨立，但由于傳動需要，仍會有潤滑油通過傳動間隙從壓力高的箱體滲入壓力低的箱體。因此，螺桿變幅機構還設有稀油潤滑泵站，通過回油管路將嚙合產生的鐵屑等異物過濾，通過加油管路將干凈的潤滑油補充進來。異物需定期清除，潤滑油也將酌情確認是否更換。

從實際破壞位置來分析，導致螺桿變幅機構的無法動作后的直接表象是殼體與大齒輪之間的損壞。小齒輪外協進廠時均有檢驗記錄，其損壞是由于強行手盤變幅機構導致，是螺桿變幅機構微動無法動作后導致的。

查詢殼體和大齒輪可知，兩個零件配合面采用基孔制配合，配合公差為？準550H7/g6。根據機械設計手冊，此配合的裝配方法為手動旋進，配合特征及使用條件為：具有很小間隙，適用于有一定相對運動、運動速度不高并且精密定位的配合，以及運動可能有沖擊但又能保證零件同軸度或緊密型的配合。

變幅機構的電機功率為30kW，轉速為979rpm，減速箱速比為7.07，小齒輪齒數為25，大齒輪齒數94，模數為12mm。小齒輪的壓力角α=20°。小齒輪位置徑向力的計算如下：

小齒輪的輸出轉矩Md=9550*30/（979/7.07）=2069N·m

小齒輪直徑d0=m*Z=12*25=300mm

切向力Ft=2000*Md/d0=2000*2069/300=13793N≈13.8kN

徑向力Fr=Ft*tanα=13.8*tan20=5.023kN

上述計算的小齒輪徑向力通過嚙合傳遞給大齒輪，且徑向力相等。大齒輪的轉速=979/7.07/94*25=36.8rpm，大齒輪轉速即為螺母轉速。

結論，從轉速和徑向力正反向旋轉沖擊而言，此配合符合運動速度不高，運動有沖擊，同時需要精密定位等要求。選用此配合符合規范要求。

從定位來看，各相關零件在軸向和徑向均已完全定位，如圖4所示。并且件6與件3之間設有耐油橡膠石棉板，以防止因安裝縫隙導致漏油。

通過尺寸控制，件6可將推力調心滾子軸承頂緊，以避免螺桿徑向跳動。后期了解確認件6的臺階高度與圖紙不符，需要按圖重新制作。并實際驗證，將件6的緊固螺栓施加力矩對螺桿驅動反而不利，其緊固螺栓為內六角螺栓，且使用彈簧墊圈，常規手動擰緊即可。

由上述可知，螺桿變幅機構無法動作與設計圖紙無關。同時，設計圖紙及說明書內明確要求，螺桿變幅機構制作完成后需經跑合試驗驗證，并清洗復測后方可安裝于起重機上。

3? 現象分析

目前，闡述干摩擦現象的理論很多，早先的機械摩擦嚙合理論認為，兩個粗糙表面接觸時，接觸點互相嚙合，摩擦力就是嚙合點間切向阻力的總和，簡單粘著理論認為，兩粗糙表面在載荷作用下，摩擦副只是部分峰頂接觸，真實接觸面積Ar只有表觀接觸面積A的百分之一至萬分之一。所以，單位接觸面積上的壓力很容易達到材料的壓縮區服極限σSc而產生塑性流動。

在接觸點受到高壓力和塑性變形后，臟污膜遭到破壞，很容易使基體金屬發生粘著現象，形成冷焊結點。在隨后相對滑動中粘著處被破壞，有金屬屑粒從零件表面被拉拽下來或零件表面被擦傷的一種磨損形式。

按照粘著結點的強度和破壞位置不同，粘著磨損有不同的形式，具體分為：輕度粘著磨損、一般粘著磨損、擦傷磨損、膠合磨損。實際破壞形式應屬于膠合磨損。

膠合磨損的產生原因是，粘結點的強度比兩對磨材料的剪切強度大得多，而且粘結點面積較大時，剪切破壞發生在對磨材料的基體內。此時，兩表面出現嚴重磨損，甚至使摩擦副之間咬死而不能相對滑動。

膠合磨損的避免措施是，合理的選擇配對材料，采用表面處理，限制摩擦表面的溫度。控制壓強及采用含有油性極壓添加劑的潤滑劑等，都可減輕粘著磨損。

正常的磨損過程可分為三個階段，如圖5所示，分別是跑合磨損階段、穩定磨損階段和劇烈磨損階段。

跑合磨損階段是指在新的摩擦副在運行初期，由于對偶表面的表面粗糙度值較大，實際接觸面積較小，接觸點較少而多數接觸點的面積較大，接觸點粘著嚴重，因此磨損率較大。但隨著跑合的進行，表面微峰峰頂逐漸磨去，表面粗糙度值降低，實際接觸面積增大，接觸點數增多，磨損率降低，為穩定磨損階段創造了條件。

穩定磨損階段是指磨損緩慢且穩定，磨損率保持基本不變，屬正常工作階段。

劇烈磨損階段是指經過長時間的穩定磨損后，由于摩擦副對偶表面間的間隙和表面形貌的改變以及表層疲勞，其磨損率急劇增大，使機械效率下降、精度喪失、產生異常振動和噪聲、摩擦副溫度迅速升高，最終導致摩擦副完全失效。

因此在穩定磨損階段之前，對于復雜的變幅機構，且變幅機構內有諸多自制件，必要的跑合磨損是必不可少的。比較完整的跑合試驗要求要有空載、重載、往復運動等要求，且跑合過程中須有充分的潤滑，跑合完成后必須進行必要的清洗及零件查驗。

4? 結論

綜上所述，結合摩擦面的破壞形式，當前的破壞形式是由于變幅機構安裝到門座機上之前，未進行充分的跑合以降低表面粗糙度，且未對機構進行完全的拆解清洗及復檢，有鐵屑存在于變幅基體內的可能性;其次，由于無潤滑措施或潤滑不充分，齒輪旋轉時在摩擦面發生粘結，進而形成冷焊結點，繼續旋轉時對結點進行拉扯，產生劃痕及溝槽，從而造成摩擦面的嚴重損傷。

5? 解決方案及驗證

針對實際磨損情況，為盡量降低整改成本，整改方案為重新制作小齒輪、擋圈。在殼體上將磨損部位二次加工內臺階面，在大齒輪磨損處對應加工外臺階面，臺階深度作圖確認。然后新增襯套，襯套外圈與殼體之間采用過度配合，并在結合面處增加定位螺釘;襯套內圈與大齒圈之間的配合與原圖一致。同時，復測所有關鍵零部，排查未知隱患。

以上事宜全部完成確認后，按照圖紙及說明書要求，在正常潤滑條件下，空載正反跑合，帶載正反跑合，跑合記錄獲得認可后，方才回裝變幅機構。回裝后，根據門座起重機的吊重能力曲線驗證空載、最大吊重力矩，最大幅度下主鉤滿載、副鉤滿載等工況的噪音情況及變幅機構電流情況等。經實際驗證確認，變幅機構整改效果良好，可以投入使用。

參考文獻：

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