螺桿式變幅機構的跑合試驗設計

張春林

(南通中遠海運船務工程有限公司,江蘇 南通 226006)

0 引言

螺桿式變幅機構采用螺桿螺母嚙合的作業方式,具有作業平穩、傳動效率高、承載力高、生命周期長等優勢,目前廣泛應用于國防重工、海洋船舶等領域。螺桿式變幅機構能夠承受雙向力,在有較大傳動比的同時,其驅動機構的尺寸和重量相對較小,是一種典型的變幅機構[1]。

深入研究齒輪箱的跑合試驗,反復打磨試驗方案,對試驗方案進行優化,能夠提高生產的質量和效率[2]。跑合試驗一直與螺桿式變幅機構的運行息息相關,齒輪箱是在陸運交通中常見的傳動系統,而在海洋船舶領域,要求傳動方式能夠契合大幅度變幅收放的工況,一般選擇螺桿式變幅機構。早期研究者們多對高速列車齒輪箱進行跑合試驗研究。侯有忠[3]分析了齒輪箱中易發生的典型故障,并依托CRH2型動車組進行試驗,得到了相關的數據,總結了不同轉速振動下的齒輪箱運行狀態。仇文凡等[4]等基于齒輪箱跑合試驗振動的合格率,對跑合試驗方案進行優化,大幅降低了高速列車齒輪箱跑合試驗的振動超差率,提高了生產效率。陸會軍[5]使用螺桿式變幅機構作為門座起重機的傳動系統,解決了漏油問題,延長了產品的生命周期。劉樹森[6]設計出了一種變幅螺桿的跑合試車方案,一定程度上解決了螺桿式變幅機構的跑合試驗中的問題,為新環境下螺桿式變幅機構跑合試驗的設計提供了寶貴經驗。

在使用遠通浮吊的過程中,臂架會發出低音振動異響。產生異響的原因一般有螺桿磨損及臂架鉸座軸承碎裂兩種可能。經過檢驗,鉸座軸承并未碎裂,可以初步判定異響源自螺桿式變幅機構。變幅機構產生異響,一般有潤滑、裝配、碎屑三種原因,因此,需要更換螺桿式變幅機構,并且在安裝螺桿螺母前,進行跑合試驗[7]。目前,國內已經沒有廠家進行跑合試驗,這無疑會降低螺桿式變幅機構的技術要求。因此,本文針對傳統螺桿式變幅機構跑合試驗方案的一些弊病,設計一種新的跑合試驗方案,以期跑合試驗安全、可靠和有效運行。

1 跑合試驗的難點分析

一種典型的螺桿式變幅機構跑合試驗的示意圖見圖1。通過變幅機構推動地面鉸支的桿件,實現螺桿的帶載跑合。通過驗證,發現這一設計存在2個缺陷：

(1)鉸支桿件自重有限,變幅機構跑合時帶載過小,無法滿足實際工程需要。

(2)變幅機構跑合時所受載荷處于變化當中：大幅度時螺桿受拉力最大,螺桿回收過程中受力慢慢變小;跑到中間幅度時,鉸支桿件垂直,此時螺桿不受載荷;幅度進一步縮小時,螺桿開始受壓力,并且逐步增大,此工況不利于螺桿的均勻跑合。

2 跑合試驗的設計及改進

2.1 方案1

研究發現,通過在鉸支桿件上懸掛2組配重,能夠實現螺桿單次收放受力方向一致,見圖2。但是在實際操作過程中,需要操作工人反復對2組配重進行裝卸,整體方案效率較低,操作強度較大,因此,需要對當前方案進行改進,降低工人的操作強度。

圖1 典型的螺桿式變幅機構跑合試驗方案(單位：mm)

圖2 螺桿式變幅機構跑合試驗方案1(單位：mm)

2.2 方案2

對方案1進行改進,采用配重水平設置法。通過一個帶配重的牽引小車,實現螺桿跑合時雙向都有受力,能夠滿足實際需求,見圖3。在實際跑合實驗中,這種方案的工裝比較復雜,整個變幅機構需要安裝在一個較高的臨時變幅平臺上,對操作工人來說,有較大的安全隱患。因此,需要對方案繼續改進,以避免安全事故的發生。

圖3 螺桿式變幅機構跑合試驗方案2(單位：mm)

2.3 方案3

為規避高空作業時的安全隱患,采取地面作業的設計方案。選用滾動摩擦小車,小車的滾動摩擦系數約為0.05,見圖4。這種方案,能夠滿足原定需求,讓操作工人在地面進行作業,安全風險大大降低。但是工作時,小車處于自由跑動狀態,會大大損耗配重的功效,因此需要對小車的跑動方向進行限制,提出第4種改進方案。

圖4 螺桿式變幅機構跑合試驗方案3

2.4 方案4

基于前3種方案的設計和改進,并對出現的缺陷進行總結,最終推出了第4種方案：增加了限制小車跑動方向的糾偏裝置,使小車始終保持直線跑動,見圖5。方案4簡單易改造,能夠滿足螺桿式變幅機構跑合試驗的要求,而且操作工人在作業時的風險系數很低,方案確實可行,可以進行試驗驗證。

圖5 螺桿式變幅機構跑合試驗方案4(單位：mm)

3 跑合試驗的實施及效果

3.1 試驗準備

為了模擬出海上浮吊變幅平臺上的工作工況,需要準備1套臨時電氣控制系統和1套臨時潤滑系統。臨時電氣控制系統包含單獨的電氣控制柜,設有啟動前進、后退、停止、緊停等功能按鈕,并在工裝上加裝了最小、最大幅度時的減速及極限停止限位,實現整個跑合工況處于安全可控狀態。臨時潤滑系統則完全模擬了浮吊上的加油工況,并且采用透明可視的管路,實時監控油路通暢狀況,唯一不足的是只能手動控制油泵開合。

3.2 試驗實施及效果

安裝螺桿式變幅機構,并移動至浮吊變幅平臺,重新設定最小、最大幅度的限位,對原先的潤滑管路重新排布,確保潤滑管路更加通暢。

首先進行為期2周的帶載跑合,然后解體變幅機構,檢查整套變幅機構的磨合情況。接著對整套螺桿式變幅機構進行空載試驗和重載試驗,新的螺桿式變幅機構在作業時已經完全消除了原有的低音振動異響現象。多次試驗后,檢查潤滑系統中的濾油網,發現只有罩殼內部的黃色老化剝落油漆,無銅屑,說明跑合試驗的結果非常理想。

4 結論

(1)本文設計了一種帶有2組配重的牽引小車,實現螺桿跑合時雙向都有受力。選用滾動摩擦式牽引小車,實現地面作業。利用糾偏裝置限制小車的跑動方向,使小車始終保持直線跑動,從而使整個跑合試驗安全、可靠和有效。

(2)新型跑合試驗方案具有以下優點：在跑合試驗中螺桿受力均勻,方向一致且連續;螺桿外伸時受壓力,收縮時受拉力,往復一個行程可實現螺桿梯形齒牙雙面受力,齒牙雙面都得到磨合;地面作業,施工流程安全簡單,操作人員工作強度低;工裝結構簡單巧妙,材料成本低廉,可以重復利用廢棄材料。

(3)實際使用中消除了低音振動異響,延長了浮吊的使用壽命,也為其他類似的變幅機構的跑合試驗提供新的思路。