港口大型門座起重機回轉支承故障機理分析

高雨

摘 要：本文主要針對港口大型門座起重機三排滾柱式回轉支承裝置的大齒圈斷齒機理進行分析，通過總結引起其斷齒故障的各類因素，提出對應的減少斷齒故障發(fā)生幾率的措施以及回轉支承結構的設備管理對策，以期為提高回轉支承使用壽命和門座起重機回轉工作的安全性提供一定的參考依據。

關鍵詞：碼頭 門座起重機 工作特征 機理分析

現(xiàn)代港口碼頭中，大型門座起重機在裝卸作業(yè)中起到了重要的作用，它是港口碼頭數(shù)量最多和使用最多的機型，相對于其他起重機械而言，其機構最多，結構復雜，是港口碼頭最典型的電動裝卸機械。同時它具有較好的工作性能和獨特的優(yōu)越結構，通用性好，因此被廣泛地應用于港口雜貨碼頭。作為港口門座起重機關鍵結構之一的回轉支承裝置，其重要性和安全性不言而喻。因此，為減少港口門座起重機回轉支承故障的發(fā)生，做好其選型、安裝、使用和維護工作，對提高回轉支承的使用壽命及起重機整機的穩(wěn)定性，具有重要的工程實際意義。

港口門座起重機回轉支承結構工作原理及工作特征

回轉軸承是標準化、系列化的產品，種類多樣、規(guī)格齊全，并且有多種安裝方式，圖1是回轉支承模型。以滾道直徑為主參數(shù)，隨著軸承尺寸的增大，承載能力逐級增大。此外，在同一尺寸規(guī)格下還有不同的軸承類型可供選擇，以滿足起重機械對承載能力、軸向尺寸等的不同要求。按照滾動體的類型和排列方式，主要可分為四種類型：單排交叉滾柱式、單排四點接觸球式、雙排球式、三排滾柱式。因為港口門座起重機在工作時承受著較大載荷，且工作級別較高，因此對于回轉支承也有著特別的要求。根據港口起重機回轉支承的受力特點，三排滾柱式回轉支承的構造特別適合港口起重機的使用要求。三排滾柱式回轉支承是一種受力形式較為簡單的結構，它由上、中、下三排滾柱和內外三個滾圈組成，上、中、下三排滾柱根據受力大小做成不同的直徑，各自承受單一方向的外力，同時可以組合承受軸向力、徑向力和傾覆力矩，外滾圈外部為大齒圈，主要承受徑向載荷，內滾圈分為上下兩排，主要承受軸向載荷。在典型的港口門座起重機中，三排滾柱式回轉支承內圈固定在轉臺底部，外圈固定在圓筒門架上部，其軸向與徑向尺寸都較大，通過不同的滾動體分別傳遞不同載荷，且滾動體的外形尺寸、位置放置與傳遞載荷的大小和方向相一致，同時滾動體與滾圈又是通過線接觸傳力，因此承載能力大，對沖擊和動載荷的抵抗能力強，是四種回轉軸承類型中承載能力最大的一種，且結構牢固，因此適用于港口門座起重機。

圖1 回轉支承模型

1.螺栓孔；2.回轉支承內圈；3.回轉支承外圈；4.輪齒

門座起重機的回轉部分安裝在上支座上，回轉支承中的大齒圈采用螺栓連接固定安裝在門座起重機的下支座上，工作過程中不發(fā)生轉動，回轉機構的回轉功能主要通過驅動齒輪與大齒圈的嚙合傳動來實現(xiàn)。起重機進行回轉作業(yè)時，回轉機構的驅動力傳遞路徑為：回轉電機--聯(lián)軸器--減速機--回轉小齒輪--回轉支承大齒圈?；剞D電機輸出的動力通過聯(lián)軸器傳遞給回轉減速機，驅動減速機運行，位于減速機輸出端的回轉小齒輪與回轉支承大齒圈裝配成齒輪副進行傳動。當回轉機構的驅動力傳至驅動小齒輪上時，驅動小齒輪就繞著回轉支承大齒圈開始轉動，從而將驅動力傳送至回轉支承。這時，被高強度螺栓固定的大齒圈并不能因為齒輪的嚙合而做回轉運動，因此，回轉小齒輪就會帶動門座起重機上回轉支座的支承內圈繞大齒圈做行星式旋轉，從而利用整個回轉支承結構使起重機上部回轉結構與下部固定結構之間實現(xiàn)360°的相對回轉運動。

港口門座起重機回轉支承大齒圈斷齒機理分析

在回轉支承的傳動運動中，大齒圈與回轉電機驅動的小齒輪相互嚙合，傳遞相應的動力和扭矩。與普通齒輪嚙合相比，這種嚙合傳遞更大的力和力矩，使回轉機構在突然啟動或突然制動時產生更大的沖擊載荷。由于門機上部機體重達幾十噸甚至上百噸，其回轉慣性比較大，在作業(yè)時，頻繁的回轉、制動、起吊、下降等操作易使上部機體產生回擺和沖擊運動，復雜的載荷情況造成了齒圈輪齒應力的頻繁變化，易造成輪齒斷裂失效，同時，由于齒圈設計參數(shù)不合理、加工不當?shù)纫蛩兀矔鹌湓诤笃诘墓ぷ髦邪l(fā)生斷裂。

在引起回轉支承大齒圈斷齒因素的內因方面，主要有齒圈設計參數(shù)不合理、齒圈的加工精度低、熱處理工藝不當、初始疲勞裂紋引起斷齒、齒根抗彎曲強度降低、軸承支承剛度不夠等因素。在齒圈設計選用時若模數(shù)偏小，就會使齒根部分產生的彎曲應力較大，安全系數(shù)處于臨界值，以使其彎曲斷裂；齒圈在制造過程中產生的齒圈偏心、齒距偏差和齒形誤差等，都可能對輪齒嚙合產生影響，由于嚙合不良，會使輪齒受力不均而引起斷齒；在回轉支承齒圈熱處理加工時，若處理方式不當，使齒圈存在硬度較大、殘余應力、晶粒度等級未達標等其他問題，其基體組織的性能沒有達到規(guī)定要求，因此在齒圈的后期作業(yè)過程中，可能產生輪齒的折斷現(xiàn)象；若輪齒存在初始裂紋，則在后期的回轉作業(yè)中，很容易由裂紋擴展而使輪齒斷裂；輪齒經過多次嚙合后齒厚變薄，彎曲強度降低，易在沖擊載荷的作用下引起斷齒；另外，回轉支承處于整機結構剛度較為薄弱之處，如果上下連接支承的剛度不夠，則容易使回轉支承發(fā)生變形，對大齒圈造成額外擠壓，加劇其輪齒斷裂速度。

在引起回轉支承大齒圈輪齒斷裂的外因上，主要包括齒側間隙過小、過載及偏載影響、彎曲疲勞引起斷齒、回轉制動沖擊、振動影響、齒輪齒圈軸線平行度超出允許范圍等。齒側間隙過小時，起重機在吊裝作業(yè)過程中會由于偏載的存在，而使大齒圈輪齒會受到與之嚙合的小齒輪對其施加的徑向擠壓力，久而久之引起輪齒斷裂；由于回轉支承位于起重機中間部位，本來就承受較大的載荷，若多次發(fā)生偏載和超載情況，則更容易引起斷齒；在回轉制動過程中，若操作人員突然打反車，使制動力矩過大，會對大齒圈輪齒產生很大的沖擊影響；齒輪傳動過程中，原動機、軸承座、軸承和負載等外部激勵，以及齒圈嚙合處的內部激勵，都會引起回轉支承的振動，從而對其輪齒產生影響，若振動較劇烈，則可能引起輪齒斷裂；如果小齒輪軸線與回轉支承大齒圈軸線嚴重不平行，會造成二者輪齒的不正常嚙合，導致回轉支承大齒圈與小齒輪之間的有效嚙合區(qū)域大幅度減小，使回轉支承齒圈局部受力，易發(fā)生輪齒折斷問題。

位于回轉支承外圈的大齒圈，一旦發(fā)生折斷情況，更換大齒圈的操作難度將很大，在更換作業(yè)時，必須將門座起重機回轉平臺的上部機構以及臂架系統(tǒng)從回轉平臺處全部拆開，工程量較大，對其它零部件也容易產生一定的影響。因此，積極預防斷齒情況和減少斷齒幾率，是很有必要的。

減小回轉支承齒圈斷齒幾率的措施

根據港口門座起重機回轉支承的運動特征及產生斷齒故障的各類原因，可采取相應的優(yōu)化措施，以減少回轉支承齒圈斷齒故障。在回轉支承齒圈的設計制造方面，應選擇合理的齒圈材料，適當增大齒圈模數(shù)和安全系數(shù)，同時設計合理的齒根過渡圓角半徑，以增加其抗彎曲能力；在齒圈的加工過程中，要盡量提高其加工精度，以保證其良好的嚙合，同時可采用單齒淬火的熱處理工藝，提高其輪齒的承載能力；在回轉支承結構的優(yōu)化方面，可通過合理調整齒輪嚙合的齒側間隙、提高回轉支承的連接剛度和安裝精度來減少大齒圈輪齒受到的偏載和擠壓影響；另外，可通過添加阻尼元件來減少回轉支承在制動時對輪齒產生的沖擊影響，同時應限制超載情況的運作，以降低外部載荷對回轉支承的影響；最后，要做好回轉支承結構的維護保養(yǎng)工作，及時清理回轉支承內聚集的雜物，及時對其進行潤滑并定期更換潤滑脂或潤滑油，定期對其回轉平穩(wěn)度進行檢查。

（作者單位：莆田港務集團有限公司）