某起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒輪圈連接螺栓斷裂分析

關(guān) 輝

(湖南華電長沙發(fā)電有限公司，湖南 長沙 410203)

0 引言

在火力發(fā)電企業(yè)中，燃煤成本占到經(jīng)營總成本份額很大，隨著火車運(yùn)輸成本的不斷上漲，水路運(yùn)輸價(jià)格相對(duì)低廉，選擇水運(yùn)方式，有利于降低運(yùn)輸成本所占總成本比例;因此大量火力發(fā)電企業(yè)，充分利用江河資源，建設(shè)煤炭接卸碼頭。煤碼頭接卸設(shè)備一般采用躉船上安裝浮式固定抓斗起重機(jī)，投資少，操作方便，適應(yīng)惡劣環(huán)境的工況，同時(shí)也方便依據(jù)水位的高低進(jìn)行調(diào)整躉船。

1 浮式固定抓斗起重機(jī)簡介

浮式固定抓斗起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)包括起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。各機(jī)構(gòu)均為獨(dú)立的系統(tǒng)，分別可以完成確定的任務(wù)。起升、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)器房內(nèi)，變幅機(jī)構(gòu)位于人字架平臺(tái)上，回轉(zhuǎn)采用大軸承支承方式。各機(jī)構(gòu)既能單獨(dú)工作也能聯(lián)合動(dòng)作。

2 浮式固定抓斗起重機(jī)存在的問題

湖南華電長沙發(fā)電有限公司一期2×600MW機(jī)組分別于2007年10月、12月投入正式運(yùn)行，每年的燃煤設(shè)計(jì)量在260萬噸以上，公司為降低煤炭運(yùn)輸成本，于2013年5月建成2000噸級(jí)煤碼頭一座，接卸采用2臺(tái)10t－30m浮式固定抓斗起重機(jī)。煤碼頭自投入使用以來，年平均接卸煤炭量達(dá)200萬噸，設(shè)備使用頻繁，工作環(huán)境惡劣，對(duì)設(shè)備安全可靠性要求很高。但是在投產(chǎn)初期，#2浮式固定抓斗起重機(jī)在運(yùn)行過程中連續(xù)幾次出現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒輪圈連接螺栓斷裂問題(最多的一次斷18顆)，嚴(yán)重影響了設(shè)備安全產(chǎn)生的宗旨，如不及時(shí)處理，運(yùn)行過程中將有可能造成浮式固定抓斗起重機(jī)大臂傾倒問題，形成重大安全事故。

3 浮式固定抓斗起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒輪圈連接螺栓斷裂問題分析及整改方案

3.1 回轉(zhuǎn)支承裝置組成及工作原理

回轉(zhuǎn)支承裝置組成如圖1所示，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括回轉(zhuǎn)支承裝置和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置兩大部分?；剞D(zhuǎn)支承裝置為三排圓柱滾子組合軸承，軸承內(nèi)外圈用高強(qiáng)度螺栓分別與轉(zhuǎn)臺(tái)法蘭和圓筒門架法蘭相聯(lián)，以承受起重機(jī)回轉(zhuǎn)部分的垂直力、水平力和傾覆力矩?；剞D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置包括兩套立式傳動(dòng)系統(tǒng)，每套系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、極限力矩聯(lián)軸器、常閉式制動(dòng)器、行星齒輪減速器和驅(qū)動(dòng)小齒輪組成。小齒輪與回轉(zhuǎn)支承齒圈外齒嚙合，電動(dòng)機(jī)與減速器之間由極限力矩聯(lián)軸器聯(lián)接。正常工作時(shí)，電機(jī)的扭矩通過聯(lián)軸器的摩擦片傳遞給減速器。

圖1 浮式固定抓斗起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

3.2 高強(qiáng)度螺栓在浮式固定抓斗起重機(jī)上的應(yīng)用

浮式固定抓斗起重機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)回轉(zhuǎn)支撐使用手冊(cè)要求和高強(qiáng)度螺栓的整體性能好、抗疲勞能力強(qiáng)的特性，在回裝機(jī)構(gòu)的軸承上下回轉(zhuǎn)法蘭上采用144顆M30×410的高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊。理論上設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，螺栓只承受工作壓力，不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂;如因設(shè)備組裝問題，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的不平衡力，將會(huì)導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂。所以浮式固定抓斗起重機(jī)在組裝時(shí)，必須確?；剞D(zhuǎn)支承平面與安裝平面接觸面不變形，防止螺栓擰緊后在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生疲勞斷裂。

3.3 回轉(zhuǎn)軸承高強(qiáng)度螺栓斷裂受力分析

螺栓斷裂后，首先組織具有檢測資質(zhì)的公司對(duì)螺栓進(jìn)行質(zhì)量檢測，根據(jù)提供的“高強(qiáng)度螺栓應(yīng)力檢測報(bào)告(圖2)”，說明螺栓質(zhì)量是合格的;再根據(jù)螺栓斷裂情況(圖3)分析，從螺桿斷裂位置上看，主要發(fā)生在距螺帽端部絲扣處，進(jìn)一步對(duì)螺桿正斷面進(jìn)行宏觀分析，整個(gè)斷面呈明顯的樹枝狀裂紋和海灘狀條紋，條紋從外向內(nèi)擴(kuò)展，并伴有擠壓摩擦痕跡，屬典型的疲勞斷裂擴(kuò)展特征，最終得出螺栓的斷裂是由于疲勞斷裂造成。初期由于判斷問題根源出現(xiàn)偏差，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整配重、驅(qū)動(dòng)小齒輪位置等均無效果，后邀請(qǐng)中南大學(xué)李博士現(xiàn)場分析，明確了#2固定抓斗起重機(jī)的支承圓筒在安裝時(shí)工藝出現(xiàn)問題，造成螺栓斷裂(躉船上裝配浮式固定抓斗起重機(jī)工藝要求很高，安裝時(shí)必須在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定環(huán)境，且施工技術(shù)人員技術(shù)精湛，才能保證浮式固定抓斗起重機(jī)各部件組裝、焊接等工藝達(dá)到設(shè)計(jì)要求)。具體原因:#2浮式固定抓斗起重機(jī)的支承圓筒在焊接時(shí)出現(xiàn)工藝控制不到位，焊接應(yīng)力沒有徹底釋放，引起支承圓筒(圖4)和回轉(zhuǎn)支撐座與回轉(zhuǎn)軸承連接的法蘭局部變形，局部變形處的水平度與整個(gè)回轉(zhuǎn)支撐座圈的水平度相差最大的達(dá)3mm，而回轉(zhuǎn)支承平面設(shè)計(jì)要求平面度(100mm范圍內(nèi))≤0.30mm，所以當(dāng)浮式固定抓斗起重機(jī)的回轉(zhuǎn)大臂旋轉(zhuǎn)至支承圓筒和回轉(zhuǎn)軸承連接的法蘭的變形處，產(chǎn)生強(qiáng)大的軸向力，使回轉(zhuǎn)懸臂反向的回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒輪圈連接螺栓產(chǎn)生疲勞斷裂。

圖2 高強(qiáng)度螺栓應(yīng)力檢測報(bào)告

圖3 螺栓斷裂

圖4 支承圓筒

3.4 處理方法

(1)找到支承圓筒和回轉(zhuǎn)支撐座與回轉(zhuǎn)軸承連接的法蘭局部變形處，在支承圓筒壁內(nèi)外側(cè)分別固定內(nèi)外兩個(gè)支撐腿，支撐腿上分別安裝兩個(gè)起升50噸的千斤頂，將全部螺栓松開10毫米，千斤頂通過頂升墊板，將上工作臺(tái)法蘭頂起幾毫米。在變形位置加墊片修正，保證軸承固定用法蘭受力均勻，解決螺栓疲勞斷裂主要問題。

(2)螺栓緊固，按照設(shè)計(jì)緊固扭矩為1800N·m，分兩次進(jìn)行，第一次為初擰。初擰緊固到設(shè)計(jì)扭矩力的60%～80%，初擰的扭矩值不得小于終擰扭矩值的30%。第二次緊固為終擰，達(dá)到設(shè)定的扭矩扳手的力矩值。為保證螺栓群中所有螺栓均勻受力，初擰、終擰都應(yīng)按一定順序進(jìn)行，均勻緊固螺栓，克服部分螺栓受力不均，解決螺栓疲勞斷裂次要問題。

4 問題整改后效果

2014年2月份經(jīng)過一次對(duì)支撐座法蘭局部變形找平矯正后，#2浮式固定抓斗起重機(jī)連續(xù)工作到5月份，接卸煤炭近30萬噸，僅發(fā)生一根螺栓產(chǎn)生疲勞斷裂(處理前，每接卸5噸就會(huì)導(dǎo)致多根螺栓斷裂)，說明整改方法正確，效果明顯，后來又利用停機(jī)檢修時(shí)間，進(jìn)一步進(jìn)行加墊片調(diào)整，彌補(bǔ)支承圓筒和回轉(zhuǎn)支撐座法蘭局部變形處問題，將徹底解決螺栓疲勞斷裂問題，保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

5 結(jié)語

浮式固定抓斗起重機(jī)在運(yùn)行期間，設(shè)備點(diǎn)檢員要加強(qiáng)設(shè)備點(diǎn)檢，根據(jù)設(shè)備的各項(xiàng)檢測參數(shù)，做好設(shè)備可靠性分析;同時(shí)點(diǎn)檢員要充分利用設(shè)備停運(yùn)時(shí)間，檢查回轉(zhuǎn)支撐座法蘭內(nèi)外螺栓是否松動(dòng)，對(duì)出現(xiàn)松動(dòng)的要及時(shí)緊固，提高設(shè)備的可靠性。

［1］陳建國，杜德培，周桂蓮.螺栓聯(lián)接受外壓力作用時(shí)的力學(xué)計(jì)算［J］.青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003(6).

［2］陳瑋璋.起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)［M］.北京:人民交通出版社，1985.

［3］胡吉全.門座起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接研究［J］.港口裝卸，1994(5).

［4］水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:人民交通出版社，2008.