大型門式起重機(jī)開式齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)原因分析

劉寶軍

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

隨著造船市場迅猛發(fā)展，造船周期越來越短，對(duì)造船用大型門式起重機(jī)的使用要求越來越高，除了安全可靠外，還要求效率高，故障率低。但是在實(shí)際使用過程中，由于門式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)中，開式齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)，而引發(fā)的停機(jī)事故頻頻發(fā)生，不但降低了生產(chǎn)效率，而且存在巨大的安全隱患。

1 案例狀況

某造船用門式起重機(jī)有3 套主起升機(jī)構(gòu)，其中上小車為1#和2#起升機(jī)構(gòu)，額定吊載均為450 t，下小車為3#起升機(jī)構(gòu)，額定吊載500 t。滿載最大起升速度為3 m/min，空載最大起升速度為9 m/min。開式齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中大齒輪直徑為2 330 mm，總質(zhì)量約3 t，小齒輪直徑為420 mm，總質(zhì)量約0.3 t。大齒輪與卷筒用螺栓連接，小齒輪為齒輪軸，布置形式如圖1所示。2008年5月，該門式起重機(jī)2#起升機(jī)構(gòu)出現(xiàn)振動(dòng)情況，噪音很大，被迫停機(jī)檢修。

圖1 開式齒輪布置形式

2 設(shè)備振動(dòng)檢測依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)

振動(dòng)檢測診斷依據(jù)的國際標(biāo)準(zhǔn)為“ISO 10816/3機(jī)械振動(dòng)——在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評(píng)定機(jī)器振動(dòng)”，并根據(jù)設(shè)備的具體功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，確定設(shè)備檢測的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)分類

3 振動(dòng)檢測數(shù)據(jù)

檢測點(diǎn)布置如圖2 所示，各測量點(diǎn)均為軸承位置，分別測量水平方向和豎直方向的振動(dòng)，測得的振動(dòng)數(shù)據(jù)見表2。

圖2 檢測點(diǎn)位置

表2 設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)

從表2 的數(shù)據(jù)可以看出，各個(gè)測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)均超出規(guī)定值，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)為D（不可接受）。

4 原因分析

根據(jù)現(xiàn)場的振動(dòng)情況，對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，引起振動(dòng)的主要原因，有如下幾個(gè)方面：

（1）開式齒輪嚙合不良，是導(dǎo)致系統(tǒng)振動(dòng)的直接原因。

首先，從現(xiàn)場情況看，大、小齒輪齒面均嚴(yán)重磨損，在嚙合線附近形成大面積凹坑（見圖3 和圖4），齒廓曲線已非漸開線型，大、小齒輪的齒廓曲線不能形成共軛關(guān)系，導(dǎo)致嚙合不良。

圖3 大齒輪齒面磨損情況

圖4 小齒輪齒面磨損情況

其次，大、小齒輪的支承底座的剛度不足，起升系統(tǒng)吊載后，在大、小齒輪嚙合點(diǎn)處形成一對(duì)作用力和反作用力（F大和F小，見圖5），其水平方向分力FH大和FH小相互背離，在其作用下，支承底座產(chǎn)生變形，使大、小齒輪的中心距變大。

根據(jù)齒輪計(jì)算公式：

齒距p=π m，

標(biāo)準(zhǔn)中心距a=m（z1+z2）/2，

推導(dǎo)出p=2πa/（z1+z2）。

中心距增大，導(dǎo)致齒距增大，在齒厚不能增加的情況下（實(shí)際上由于磨損，齒厚是減小的），齒輪側(cè)隙增大，遠(yuǎn)超規(guī)定側(cè)隙，導(dǎo)致齒輪嚙合不良。

圖5 大小齒輪嚙合面處受力示意圖

（2）開式齒輪支承系統(tǒng)的固有頻率，與開式齒輪的嚙合頻率接近，導(dǎo)致整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生共振，將由于開式齒輪嚙合不良而產(chǎn)生的振動(dòng)，進(jìn)行了放大。

（3）起升減速箱與開式齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中的小齒輪剛性連接，小齒輪的齒輪軸作為減速箱低速端的輸出軸，減速箱的振動(dòng)頻率和開式齒輪的振動(dòng)頻率直接相互影響及相會(huì)傳遞，對(duì)開式齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)起到了誘發(fā)與放大的作用。

5 整改措施

（1）重新制作大、小齒輪，齒輪的加工精度由9級(jí)提高至7 級(jí)，并對(duì)大、小齒輪的齒面進(jìn)行修緣、修形處理，提高嚙合精度。

（2）對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)支承底座進(jìn)行加強(qiáng)，增加其水平方向的剛度，保證在受載狀態(tài)下，大、小齒輪的中心距變化在設(shè)計(jì)誤差范圍以內(nèi)。

（3）采用開式齒輪專用潤滑劑，改善開式齒輪嚙合面的潤滑條件，形成油膜保護(hù)，防止齒面產(chǎn)生啃蝕等破壞性磨損，保證開式齒輪良好的嚙合狀態(tài)。

通過采取以上措施，該起升機(jī)構(gòu)中開式齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，達(dá)到了預(yù)期的效果。

6 結(jié)束語

經(jīng)過對(duì)上述實(shí)例的分析與研究，為了保證大型門式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)中開式齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，建議采取如下措施：

一是保證系統(tǒng)支承底座有足夠的剛度，并使支承底座的固有頻率避開開式齒輪的嚙合頻率；

二是相應(yīng)提高開式齒輪的制造精度，對(duì)齒輪進(jìn)行修緣、修形處理，保證齒輪嚙合平穩(wěn)；

三是優(yōu)化起升系統(tǒng)的布置形式，開式齒輪和減速箱之間應(yīng)采用聯(lián)軸節(jié)連接，避免減速箱振動(dòng)頻率和開式齒輪嚙合頻率之間的相互影響；

四是提高開式齒輪的定位、安裝精度，以保證齒輪嚙合精度；

五是在設(shè)備使用過程中，應(yīng)采用開式齒輪專用潤滑劑，始終保證齒輪嚙合面處于良好的潤滑狀態(tài)。

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