卷筒聯(lián)軸器異常響聲原因分析和解決方法

姚天富 哲江龍 揚(yáng) 民 孫龍強(qiáng) 張從留

寧夏天地奔牛銀起設(shè)備有限公司 銀川 750021

0 引言

球鉸式卷筒聯(lián)軸器是起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的減速器與卷筒連接的常用部件之一，但常因卷筒聯(lián)軸器相包容的內(nèi)外球面制造精度低、內(nèi)外球面間局部沒(méi)有潤(rùn)滑油、減速器輸出軸與卷筒軸同軸度偏差大等因素，造成使用過(guò)程中產(chǎn)生異常響聲，進(jìn)而引起卷筒聯(lián)軸器和減速器輸出軸磨損、使用壽命和安全性能降低等問(wèn)題。

榮文達(dá)[1]采用修復(fù)卷筒聯(lián)軸器的球面加工誤差的方法消除其異常響聲。本文采用調(diào)整減速器輸出軸與卷筒軸同軸度的方法消除卷筒聯(lián)軸器異常響聲。

1 故障現(xiàn)象

某鋼廠1臺(tái)四梁四軌雙小車鑄造起重機(jī)，其主起升機(jī)構(gòu)采用雙電動(dòng)機(jī)+整體大減速器+雙卷筒的結(jié)構(gòu)形式，減速器的下箱體與小車架焊為一體，卷筒采用焊接式短軸結(jié)構(gòu)，減速器的輸出軸與卷筒采用球鉸式卷筒聯(lián)軸器連接。

該起重機(jī)從安裝后投入使用2 a多，主起升機(jī)構(gòu)無(wú)論起升或下降、空載或重載、快速或慢速，2卷筒聯(lián)軸器安裝處均會(huì)發(fā)出異常響聲。前期，只是一側(cè)（南側(cè)）的異常響聲較另外一側(cè)（北側(cè)）的大，異常響聲為周期性“哐當(dāng)”聲，到了后期，南側(cè)的又多了周期性、似木頭被壓劈時(shí)的“吱吱”聲。

維護(hù)人員判斷異常響聲是卷筒聯(lián)軸器質(zhì)量問(wèn)題，更換不同品牌后異常響聲雖有所減小，但未能徹底消除；而后判斷規(guī)格選型偏小，更換了更大規(guī)格的卷筒聯(lián)軸器，異常響聲仍未消除。

前期拆開(kāi)的卷筒聯(lián)軸器發(fā)現(xiàn)內(nèi)外球面局部沒(méi)有潤(rùn)滑油，內(nèi)外球面局部出現(xiàn)膠合磨損和擦傷磨損，如圖1～圖3所示。后期拆下南側(cè)卷筒聯(lián)軸器發(fā)現(xiàn)減速器輸出軸外花鍵和軸肩部位出現(xiàn)微動(dòng)磨損，見(jiàn)圖4和圖5。

圖1 球面局部沒(méi)有潤(rùn)滑油

圖2 球面局部呈現(xiàn)膠合磨損

圖3 球面局部呈現(xiàn)擦傷磨損

圖4 花鍵呈現(xiàn)微動(dòng)磨損

圖5 軸肩呈現(xiàn)微動(dòng)磨損

2 球鉸式卷筒聯(lián)軸器的工作原理

球鉸式卷筒聯(lián)軸器由外球殼、內(nèi)球體、鍵等組成，如圖6所示。外球殼設(shè)有異形法蘭，異形法蘭有2個(gè)平行的平面，相當(dāng)于鍵的作用，內(nèi)球體設(shè)有花鍵孔和2個(gè)圓柱孔，外球殼和內(nèi)球體以包容式球面接觸，鍵的形狀是長(zhǎng)方體和圓柱體的組合，鍵的長(zhǎng)方體與外球殼上的鍵槽配合，鍵的圓柱體插入內(nèi)球體的圓柱孔內(nèi)，外球殼和內(nèi)球體可以球心為中心點(diǎn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6 球鉸式卷筒聯(lián)軸器

卷筒聯(lián)軸器與卷筒連接如圖7所示。減速器輸出軸與卷筒聯(lián)軸器的內(nèi)球體通過(guò)花鍵副連接，卷筒聯(lián)軸器的外球殼上的異形法蘭與中間法蘭通過(guò)螺栓軸向連接，異形法蘭的2個(gè)平行的平面鑲嵌在中間法蘭的矩形槽中，中間法蘭與卷筒法蘭再通過(guò)螺栓連接，卷筒承受的徑向載荷由減速器輸出軸上的2階梯軸承擔(dān)，卷筒承受的扭矩由卷筒聯(lián)軸器上的2平面?zhèn)鬟f后再傳遞給減速器輸出軸上的花鍵，即花鍵副只傳遞扭矩，不承受徑向載荷。

圖7 卷筒聯(lián)軸器與卷筒的連接

卷筒的支撐設(shè)計(jì)成一端固定，另外一端游動(dòng)。軸端擋板限制卷筒聯(lián)軸器的軸向位移，卷筒另外一端其軸承兩端面留有3～5 mm的間隙，可軸向移動(dòng)。由于采用了球鉸式卷筒聯(lián)軸器，卷筒軸相對(duì)于減速器輸出軸可偏斜3°，方便了卷筒的安裝和拆卸。

3 原因分析

造成卷筒聯(lián)軸器異常響聲可能有：1）減速器輸出軸與卷筒軸的同軸度誤差；2）球面之間的潤(rùn)滑狀態(tài)，即是否能形成潤(rùn)滑油膜；3）相包容的內(nèi)外球面尺寸、形位誤差和粗糙度；4）卷筒聯(lián)軸器所承擔(dān)的載荷大?。?）中間法蘭的剛度、卷筒體的剛度等。

由于卷筒采用短軸式結(jié)構(gòu)，為表述準(zhǔn)確，定義卷筒軸為以卷筒軸承座中的調(diào)心軸承的中心點(diǎn)與卷筒聯(lián)軸器內(nèi)外球中心點(diǎn)的連線為軸線的假想軸。

當(dāng)減速器輸出軸與卷筒軸的同軸度誤差為0時(shí)，即安裝精度達(dá)到理想狀態(tài)，卷筒聯(lián)軸器的內(nèi)外球面之間不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，也不會(huì)產(chǎn)生周期性響聲，否則，內(nèi)外球面之間將產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。然而，實(shí)際卷筒安裝不可能達(dá)到理想狀態(tài)，卷筒軸線與減速器輸出軸軸線有交角α，由于內(nèi)球體的旋轉(zhuǎn)軸線為減速器輸出軸軸線，外球殼的旋轉(zhuǎn)軸線為卷筒軸軸線，在卷筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)球體和外球殼上任意接觸點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)軌跡均是分別位于2平面內(nèi)的一圓形曲線，這2平面垂直于各自的旋轉(zhuǎn)軸線，如圖8所示，接觸點(diǎn)相對(duì)滑動(dòng)的最大軌跡有3種情況：

1）2接觸點(diǎn)均繞球心旋轉(zhuǎn)，接觸點(diǎn)滑移最大軌跡；

2）接觸點(diǎn)僅有1點(diǎn)繞球心旋轉(zhuǎn)，接觸點(diǎn)滑移最大軌跡；

3）2接觸點(diǎn)均不繞球心旋轉(zhuǎn)，接觸點(diǎn)滑移最大軌跡。

在自重載荷和鋼絲繩拉力作用下，卷筒聯(lián)軸器相互接觸的球面僅在上半部分承受徑向載荷，若內(nèi)外球面的尺寸和位置精度低，則卷筒的徑向載荷僅有1或幾個(gè)接觸點(diǎn)承受。在接觸點(diǎn)潤(rùn)滑不良，同時(shí)卷筒旋轉(zhuǎn)使接觸點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，接觸點(diǎn)的靜摩擦力引起卷筒聯(lián)軸器外球殼及其連接中間法蘭板變形。卷筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)接觸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到下部時(shí)，接觸點(diǎn)即分開(kāi)，亦或旋轉(zhuǎn)過(guò)程中靜摩擦力達(dá)到最大值后突然減小，變成滑動(dòng)摩擦力時(shí)，卷筒聯(lián)軸器外球殼及其連接中間法蘭板變形由大變小，從而產(chǎn)生響聲。

接觸點(diǎn)的相對(duì)滑動(dòng)和周期性接觸、分開(kāi)以及其間潤(rùn)滑不良是產(chǎn)生周期性異常響聲的根源，也是相包容的內(nèi)外球面出現(xiàn)不同程度磨損（膠合磨損和擦傷磨損）的根本原因。

由于南側(cè)卷筒異常響聲較北側(cè)大，其摩擦力也大，在摩擦力的水平分力周期性作用下，固定南側(cè)卷筒聯(lián)軸器軸向位移的螺栓斷裂。而維護(hù)人員未能及時(shí)拆開(kāi)重新更換固定，致使卷筒聯(lián)軸器與減速器輸出軸產(chǎn)生循環(huán)的微幅相對(duì)軸向滑動(dòng)，異常響聲也由前期僅是“哐當(dāng)”聲，變?yōu)楹笃谟侄嗔怂颇绢^被壓劈“吱吱”聲，長(zhǎng)時(shí)間的軸向滑動(dòng)，外花鍵和軸肩部位呈現(xiàn)微動(dòng)磨損。

4 同軸度檢測(cè)

由于主梁有拱度，且卷筒軸線平行于主梁長(zhǎng)度方向，再加上減速器分箱面是否平行于車輪踏面所構(gòu)成的平面等原因疊加，僅憑檢測(cè)卷筒面上2點(diǎn)的高低差或減速器輸出軸與卷筒軸各1點(diǎn)的高低差，調(diào)整減速器輸出軸與卷筒軸同軸度的方法不可取。而檢測(cè)減速器輸出軸和卷筒軸相對(duì)于某一基線的偏斜程度，再調(diào)整卷筒軸的偏斜程度相對(duì)簡(jiǎn)單。

1）測(cè)量高低差 首先，拆掉2卷筒軸承座的上座，用外卡鉗和直尺測(cè)量軸承外徑、減速器輸出軸軸徑和悶蓋外徑并記錄。其次，將水準(zhǔn)儀架在減速器上箱體中間部位，將水準(zhǔn)尺分別豎立在減速器悶蓋最高點(diǎn)（A點(diǎn)）、輸出軸最高點(diǎn)（B點(diǎn)）和卷筒軸承外徑最高點(diǎn)（D點(diǎn)），讀取并記錄這3點(diǎn)水準(zhǔn)尺的讀數(shù)，見(jiàn)圖9和表1，悶蓋外徑φA=560 mm，輸出軸徑φB=300 mm，軸承外徑φD=360 mm。

圖9 A、B、D三點(diǎn)高度測(cè)量

2）測(cè)量水平偏差 測(cè)量中間法蘭與減速器箱體之間的水平距離d1和d2，位置為減速器分箱面處且靠近中間法蘭外圓100 mm處，見(jiàn)圖10和表1。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù) mm

圖10 水平偏斜測(cè)量

5 同軸度計(jì)算

將A點(diǎn)、B點(diǎn)、D點(diǎn)轉(zhuǎn)化到軸心上，如圖11所示，推導(dǎo)出卷筒軸在鉛錘平面內(nèi)的偏斜距離為

圖11 鉛錘面內(nèi)偏斜距離

如圖12所示，推導(dǎo)出卷筒軸在水平平面內(nèi)的偏斜距離為減速器輸出軸與卷筒軸的夾角為

圖12 水平面內(nèi)偏斜距離

根據(jù)式（1）～式（3）和表2數(shù)據(jù)，卷筒偏斜程度計(jì)算如表3所示。南側(cè)卷筒軸與減速器輸出軸的同軸度誤差較北側(cè)的大，解釋了南側(cè)卷筒異響聲音較北側(cè)大的原因。

表2 查閱圖紙獲得數(shù)據(jù) mm

表3 卷筒偏斜程度計(jì)算結(jié)果

6 同軸度調(diào)整

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，需降低兩卷筒軸承座高度并向南移動(dòng)。重新制造2個(gè)稍矮的卷筒軸承座、2組調(diào)整墊、2組螺栓連接用墊圈。因卷筒軸承座的底座與小車架焊接一體，為減少現(xiàn)場(chǎng)工作量，卷筒軸承座的底座不動(dòng)，以加大卷筒軸承座的螺栓孔實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)卷筒軸承座。

重新更換兩卷筒軸承座并調(diào)整。將南側(cè)卷筒軸承座降低43 mm，向南水平移動(dòng)6 mm，北側(cè)卷筒軸承座降低17 mm，向南水平移動(dòng)3 mm后，空載和負(fù)載運(yùn)行起升機(jī)構(gòu)，卷筒異常響聲徹底消失。

7 結(jié)論

減速器輸出軸與卷筒軸同軸度超差是造成卷筒聯(lián)軸器周期性異響的主要原因；球鉸式卷筒聯(lián)軸器選型手冊(cè)給出的偏斜角度3°是拆卸和安裝角度，并非使用時(shí)的角度，建議使用時(shí)的偏斜角度應(yīng)不超過(guò)7′，即卷筒軸相對(duì)于減速器輸出軸斜度不超過(guò)2‰；建議卷筒聯(lián)軸器制造商檢測(cè)內(nèi)外球面接觸率，使其達(dá)到60%～70%，以降低使用時(shí)對(duì)同軸度的要求。