夾軌器夾臂轉動副優化方案

周仲元 毛加彥 譚康超

寶鋼湛江鋼鐵有限公司

1 引言

夾軌器是一種安裝在戶外移動起重機底部結構，防止起重機在強風作用下沿軌道滑行的安全裝置。大型起重機或港口用起重機主要采用自動夾軌器，其由重錘或由彈簧力通過杠桿使夾鉗夾緊軌道，靠夾軌器液壓系統中油缸的頂升力通過杠桿使夾鉗松開。寶鋼湛江鋼鐵散礦碼頭橋式抓斗卸船機選用的西伯瑞公司瑞馬系列夾緊力為400 kN的彈簧液壓式夾軌器，投用3年后，多臺夾軌器出現夾鉗打開不順暢故障。通過給夾軌器夾臂轉動副淋油、調高系統壓力設定值等措施，仍無法根除夾軌器故障，經常性報液壓系統高壓警報、夾軌器打開超時等故障。夾軌器故障頻發，嚴重影響卸船機的正常作業。

2 夾臂轉動副失效原因分析

為了找到夾軌器功能失效的根源，對1臺離線夾軌器進行解體分析。解體后發現，夾臂結構為動力臂與阻力臂比例為3∶1的杠桿，夾臂支點銷孔設計上無軸套，其與銷軸直接接觸，轉動副為干摩擦無潤滑設計。夾臂支點銷孔及軸銷表面發生了一般粘著磨損，銷孔往軸銷間發生了單向材料轉移。粘著磨損導致夾臂支點轉動副摩擦力增大，造成轉動副運動不暢的現象。現場維護人員雖調高了液壓系統溢流閥設定值，短時間內讓油缸獲得更大的頂升力，克服了夾臂轉動副摩擦力過大造成的咬死問題，暫時性讓夾軌器功能恢復。但粘著磨損不斷加劇，夾臂銷孔與軸銷之間的摩擦力不斷加大，夾臂轉動副摩擦力最終超過了液壓系統設計最大輸出壓力值，導致夾軌器功能性失效。

查閱該型號夾軌器圖紙，其夾臂支點軸銷材質為42CrMo，表面布氏硬度值為布氏硬度(HBS100/3000)≤217 HB，夾臂材料為Q345B，表面布氏硬度值為150～170 HB。粘著磨損量一般隨壓力增大而增大，當接觸壓力超過工件布氏硬度的1/3時，磨損量會急劇增加，嚴重時會出現咬死現象。夾臂轉動副中的夾臂銷孔往軸銷間發生了單向材料遷移，所以對夾臂進行有限元分析，以探尋轉動副咬死現象是否由其摩擦面接觸壓力過大導致的。

3 夾臂結構有限元分析

3.1 分析參數設定

根據現場測繪尺寸，通過Creo Parametric軟件對夾臂進行1∶1尺寸三維建模。其材料為Q345B低合金高強度結構鋼，模型材料定義為“STEEL_LOW_ALLOY”。本分析擬定其夾緊工況下夾臂的應力情況，故約束部位有兩個，設定銷孔約束類型為銷，設定夾鉗平面約束為位移約束。夾緊力為400 kN，夾臂的動力臂與阻力臂比例為3∶1，故定義力為400/3 kN，動力輸入點選夾臂動力臂上端部。完成參數設定后，在精細模型里面對模型創建P網格，因夾臂模型結構單一，采用Auto GEM-實體指令對模型網格化。

3.2 靜態分析

靜態分析用來模擬模型結構的剛度和強度，根據約束和載荷條件計算模型的應力和應變[1]。對夾臂模型進行靜態分析，其有限元應力云圖及線性化應力報告見圖1。

圖1 銷孔有限元分析結果

從線性化應力報告可知，銷孔內壁最大總應力為60.81 MPa：而工件夾臂銷孔表面布氏硬度的1/3約為50～56.67 HB。由此可知，銷孔局部最大接觸應力超過工件夾臂銷孔表面布氏硬度的1/3，嚴重時會出現咬死現象。其結構設計存在缺陷，需對夾臂支點轉動副進行優化設計。

4 優化方案

為避免轉動副(摩擦副)粘著磨損，常見手段有合理選擇配對材料、工件表面處理、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[2]。現對銷孔加自潤滑銅套(合理選擇配對材料)及銷孔轉動副加潤滑油道(采用極壓潤滑劑)兩種優化方案進行可行性分析。

4.1 銷孔加自潤滑銅套

夾臂銷孔由原?90 mm直徑擴孔至?110 mm，并在銷孔內嵌加壁度10 mm的石墨自潤滑鋁青銅套(牌號QA17)，QA17鋁青銅套有較高的強度及良好的耐磨性能。選用自潤滑鋁青銅套不僅改變了夾臂轉動副的配對材料，還可以降低轉動副的摩擦力，避免粘著磨損。此方案涉及到結構改動，須對其結構進行靜態應力分析，確定擴孔后夾臂支點銷孔壁滿足強度要求。

按1∶1比例對修改后的軸套建模，利用裝配功能，將軸套裝配到銷孔內部。通過Simulate模塊內的材料庫，將軸套材料定義為“AL-CU_ALLOY_WROUGHT_HS”。利用精細模型下的界面指令將軸套與銷孔之間關系定義為“接觸”，參考模式為“元件”-“元件”。再次對裝配模型進行網格化。執行靜態分析，完成結果見圖2。

圖2 加銅套分析應力云圖

從應力云圖可知，銅套內壁最大應力為27 MPa，銷孔內壁最大應力為37.64 MPa，應力皆在結構強度安全范圍內，故支點銷孔擴孔后，結構強度滿足需求。銷孔內加裝自潤滑銅套方案可行。

4.2 轉動副加潤滑油道

潤滑是減少摩擦副磨損的重要方式之一,潤滑狀態對粘著磨損值影響較大，邊界膜的強度與潤滑劑類型密切相關,若在夾臂轉動副內添加極壓潤滑劑,可取得較好的抗粘著磨損效果，為此在轉動副結構上加潤滑油道。按常規方案，一般油道設在銷軸軸芯，但對象銷軸軸端兩側皆裝有導靴，沒有足夠空間安裝加油嘴。因此，考慮在銷孔側壁開注油道，方便日常加油，銷軸表面開交叉儲油槽導油(見圖3)。當夾臂轉動時，銷軸表面的潤滑劑可以通過交叉儲油槽均勻涂抹到銷孔內壁。為確保轉動副內部儲油效果，將銷孔與銷軸的裝配公差改為C11/h11間隙配合，保證該轉動副有足夠間隙存儲油脂，并形成可靠油膜。

圖3 銷軸導油槽圖

為了探尋銷孔表面鉆孔后應力分布情況，確保結構安全，對鉆孔后的夾臂進行靜態應力分析。銷孔側壁鉆孔后的應力最大主值范圍向孔部位擴移，最大主應力值為73.7 MPa，仍在許用應力安全范圍內。因此，銷孔側壁加鉆注油道后，強度滿足要求。轉動副加潤滑油道方案可行。

4.3 方案比選

方案一銷孔內壁加自潤滑銅套可以一勞永逸，實施后免維護；但缺點為銅套需定制，備件采購周期較長，且費用較高。方案二轉動副加潤滑油道的方案，在維修車間可以完成改造，涉及改動小、費用低，使用中只需定期往夾臂轉動副內加注極壓MoS2潤滑劑即可。結合湛鋼維修模式特點，綜合考慮后應用了方案二。方案實施后1年多，夾軌器夾臂未發生過轉動副咬死失效的故障。

5 結語

通過利用Creo Parametric 5.0軟件對夾臂三維建模、有限元分析等手段，探尋卸船機自動夾軌器夾臂轉動副失效的根源，并分別對銷孔加自潤滑銅套及銷孔轉動副加潤滑油道兩種優化方案進行可行性分析。可為設計廠家、現場技術人員提供一種借助CAD(計算機輔助設計,Computer Aided Design)仿真進行結構失效根源探尋、結構設計優化的經驗借鑒。