裝船機俯仰振動故障的處理分析

吳春東

摘 要：某港煤五期采用了SL10裝船機，這種裝船機的主要結(jié)構(gòu)為門架移動伸縮式，能夠裝載定額8000t的煤炭，最高時可以達到8940t，在當前應用的過程中可以說是世界上裝載能力最強的一種煤炭裝船機。其主要應用了懸臂俯仰的方式，并且用鋼絲繩卷揚，包含了眾多的零部件，例如減速機、鋼絲繩卷筒以及驅(qū)動電機等，在裝船機懸臂俯仰運動的過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)異常振動的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)就會引起整機共鳴的情形，所以會對重要焊縫帶來十分嚴重的影響，造成疲勞損傷現(xiàn)象的發(fā)生。所以整個司機室也會出現(xiàn)不斷的晃動，在這樣惡劣的工作環(huán)境下，也會嚴重影響到生產(chǎn)的安全性。

關(guān)鍵詞：裝船機；俯仰振動；故障；處理

造成裝船機出現(xiàn)振動的原因有很多，并且涉及到不同的部件，因為振動產(chǎn)生的故障是不相同的，在這種情況下，要想對其進行有效的處理，就必須要一定的時間掌握故障產(chǎn)生的原因，有針對性的進行解決，這樣才能保證裝船機更加安全進行生產(chǎn)。以本文中所提到的裝船機為例，先將裝船機的懸臂俯仰驅(qū)動系統(tǒng)劃分為劣化設(shè)備，并且采取必要的管理措施，首先是要將懸臂俯仰的速度降下來，并且對單位裝載量加以一定的限制，這樣的作用是減小在振動過程中的沖擊能量。其次是要制定出一個合理的潤滑方案，這樣可以確保運動副潤滑具有良好的狀態(tài)。再次是要經(jīng)常進行檢查，將檢查質(zhì)量水平提高到更高的層次上，對故障產(chǎn)生的原因進行研究。通過上述的管理以外，還應該及時的對故障加以診斷。

1 故障診斷

1.1 振動的時域和頻域分析

在對故障進行診斷的過程中，應該先對振動數(shù)據(jù)加以進一步的分析，這樣可以對故障部件加以初步的斷定，在常見的故障部件中，主要有驅(qū)動減速箱、鋼絲繩卷筒支撐軸承等，但是這并不能從根本上將故障的根源找出來，所以應該在振動測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行時域以及頻域的分析工作，從而可以得到一個有關(guān)振動頻譜的分析圖像。在這個圖像中可以清楚的得到以下幾點觀點。一是在卷筒軸承座的水平方向上以及齒輪軸承座的垂直位置上存在較大幅度的振動，所以造成振動的主要原因可以推斷是齒輪嚙合。二是因為振幅的波動是比較明顯的，所以這可以證明在齒輪嚙合的過程中存在時松時緊的現(xiàn)象，具有分布性缺陷以及磨損的情況。三是在出現(xiàn)故障性振動的過程中，其頻率為13.84Hz。

1.2 齒輪副嚙合頻率計算

在對裝船機的懸臂俯仰驅(qū)動齒輪理論下的嚙合頻率進行計算的過程中，主要采用的計算公式如下：

f=z

在這個計算公式中，z代表的是驅(qū)動齒輪的齒數(shù)，w代表的是驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，i代表的是減速箱減速比，在這一公式中，如果z=16，w=950r/min，i=18，那么就可以將f計算出來，也就是嚙合頻率，結(jié)果是14.07Hz，故障特性頻率的結(jié)果是13.84Hz，這兩者之間實際上是十分接近的，并且與時域還有頻域分析的結(jié)果相互結(jié)合在一起，這樣就可以得出結(jié)果，造成振動故障的主要根源在于俯仰驅(qū)動齒輪副嚙合產(chǎn)生的不良影響。

1.3 齒輪損壞情況

在進行檢測以及計算的基礎(chǔ)上可以得到相應的結(jié)果，并且也對齒輪的厚度變化還有齒面的硬度等情況進行了進一步的檢測，結(jié)果表明，齒厚減小量為5.2mm，齒面硬度為42.6HRC，齒側(cè)隙為4.9mm，齒頂隙為6.2mm，這一齒輪與中心之間的距離為1649.8mm，并且模數(shù)為20mm，所以根據(jù)過往的經(jīng)驗進行分析，，其嚙合側(cè)隙最大為2.5mm。并且根據(jù)相關(guān)規(guī)定的要求，應該對線速予以一定的控制，不能高于10m/s，本齒圈中失效的極限齒厚應該減小3mm才能滿足要求。并且在對其進行檢查的過程中還發(fā)現(xiàn)了齒面出現(xiàn)變形的情形，有些已經(jīng)剝落損傷了，所以可以得出該裝船機俯仰驅(qū)動齒輪副損壞嚴重，已達到失效的標準的結(jié)論。

2 故障的消除

2.1 齒輪損壞分析

依據(jù)國標《GB/T3480-1997漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法》對齒根彎曲強度和齒圈齒面接觸強度進行計算，可知原設(shè)計中齒圈齒根彎曲強度的安全系數(shù)為1.8，可以滿足使用要求，但接觸強度的安全系數(shù)僅為1.1?？紤]到裝船機俯仰機構(gòu)重載、較頻繁正反啟停的工況，安全系數(shù)偏小。另外，齒圈齒面實際硬度已經(jīng)由設(shè)計要求的50～60HRC降低到42.6HRC。由于硬度不足，齒面更容易產(chǎn)生異常磨損和塑性變形，從而導致齒輪副嚙合側(cè)隙不斷增大，而側(cè)隙增大會進一步增加齒輪嚙合過程的沖擊，加速齒輪的損壞。

2.2 齒輪優(yōu)化設(shè)計

以提高齒輪副接觸強度和彎曲強度為目標，采用Solidworks Simulation和Adams View分別對該齒輪副進行了靜力學和動力學參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。（見圖1、圖2）根據(jù)優(yōu)化設(shè)計，對齒數(shù)、變位系數(shù)進行了如下修改：

（1）將齒圈齒數(shù)由148減少到147。

（2）對齒輪副齒形采用正角變位設(shè)計，增大齒輪嚙合角。

通過優(yōu)化，齒圈接觸強度的安全系數(shù)提高到1.8，齒根彎曲強度安全系數(shù)提高到2.1。另外，考慮到原齒圈在齒面接觸強度和硬度方面的不足，在新齒輪副設(shè)計和加工過程中，對材質(zhì)、機械性能、熱處理、齒面質(zhì)量方面提出了明確要求。

2.3 齒輪更換及維修效果

針對齒輪副更換中存在的“作業(yè)面高度大（27.5m）、工作空間狹小”這一技術(shù)難題，采用“岸外支吊、機房開頂、卷筒同步頂升、齒圈整體更換”的維修工藝，獲得了成功。在完成更換后，對新齒輪副的嚙合側(cè)隙和齒面硬度進行了檢測。檢測結(jié)果見表1。對于齒輪副的運行振動情況，通過第三方檢測機構(gòu)進行了專業(yè)的振動檢測。檢測結(jié)果與更換前的振動情況的對比見表2。檢測結(jié)果表明，SL10裝船機異常振動完全消除。

結(jié)束語

總而言之，在裝船機出現(xiàn)故障以后，應該及時做好相應的故障排查工作，并且在此基礎(chǔ)上加強對故障的維修，保證可以裝船機可以更加安全的進行工作，為工作人員的生命安全保駕護航。

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