1200t/h四索抓斗卸船機差動系統(tǒng)故障機理研究

程國華

摘 要：本文主要通過對1200t/h卸船機差動系統(tǒng)的分析和研究，整理出一套較為成熟的卸船機差動系統(tǒng)故障判斷方法和設(shè)備維護方法，從而提高卸船機的使用壽命。

關(guān)鍵詞：卸船機；差動系統(tǒng)；故障判斷；設(shè)備維護

1200噸/h卸船機差動系統(tǒng)的設(shè)備部件中，容易出現(xiàn)不同類型的設(shè)備故障，輕則導(dǎo)致在線修復(fù)時間長，重者則需要停機較長時間進行修復(fù)，對日常生產(chǎn)將會產(chǎn)生嚴重影響，帶來嚴重的經(jīng)濟損失。

1 抓斗卸船機的概述

對于抓斗卸船機而言，其主要由主體塔架、走行裝置、俯仰裝置、懸臂梁、小車走行、卸料皮帶機、抓斗提升、抓斗開閉機構(gòu)、卸料斗等組件構(gòu)成。

目前，抓斗卸船機在散貨卸船作業(yè)中被絕大部分貨種所應(yīng)用，只有一小部分如谷物類的貨物會采用氣吸式連續(xù)卸船機。同時相對于連續(xù)式卸船機來說，被稱為間歇性式作業(yè)的抓斗作業(yè)方式一方面有著不連續(xù)作業(yè)、較高能源消耗及很難保護環(huán)境等明顯的缺點，然而，另一方面又有著連續(xù)式卸船機無法比較的很多優(yōu)點。比如：（1）較為成熟且運行可靠的技術(shù)；（2）作業(yè)受江海波浪的影響比較?。唬?）機動靈活、生產(chǎn)便于安排。

2 工程案列分析

梅鋼公司運輸部原料碼頭共有4臺同一時期購進的采用“三合一”四卷筒機構(gòu)并裝置了行星差動式設(shè)備的額定卸礦能力為1200t/h的行星差動式鋼絲繩牽引小車橋式抓斗卸船機，雖然這4臺卸船機都有著較多的優(yōu)點，比如較大的抓取量、較小的維修保養(yǎng)量以及適應(yīng)大船能力強等，但是其還是有部分明顯的不足比如：抓斗不夠平穩(wěn)、較高故障率的豎懸臂及振動給料器平臺容易開裂等存在，特別是在行星差動減速箱方面，其可靠性存在偏差尤為明顯。1#卸船機在使用不到兩年的時間內(nèi)，突然在抓礦石過程中發(fā)生故障，其陸側(cè)支持筒無法進行回轉(zhuǎn)，進而致使卸船機的工作無法正常進行。在將差動減速箱打開后，我們發(fā)現(xiàn)是差動齒輪行星包這個支持差動減速箱的核心部件受到了嚴重損壞，在對這種情況既沒有備件也沒有修理經(jīng)驗的前提下，只能聯(lián)系廠家進行維修處理，最終耗費了十幾天來修復(fù)，對卸船機正常的工作流程造成了嚴重影響。不幸的是該卸船機在修復(fù)使用四年后又有類似的故障再次出現(xiàn)。并且其他已投產(chǎn)的卸船機在后期對差動減速箱進行拆檢過程中也有同樣的問題被發(fā)現(xiàn)。從上述情況中可以說明很有可能有問題存在于差動減速箱的差動齒輪行星包的設(shè)計上。

3 抓斗卸船機差動系統(tǒng)故障機理研究

3.1 主鋼絲繩載荷測量及處理

3.1.1 主鋼絲繩載荷測量

由于受到變載荷的作用，機械零部件就很容易產(chǎn)生疲勞損傷，在分析上述載荷-時間變化圖的基礎(chǔ)上，從中選出一個周期來進行研究，如下圖1所示。在正式進行研究過程中，只對載荷作用幅值與時間進行考慮，不必對載荷作用的順序考慮，這樣來研究橫坐標時間轉(zhuǎn)變?yōu)檩d荷作用點數(shù)。然后在對載荷點進行處理時采用MATLAB軟件，從而得到鋼絲繩在抓斗下降過程中被提升的拉力與時間變化的關(guān)系圖。

從圖1中提取從165s到180s的數(shù)據(jù)點，將小載荷（小于6.5×104N）的數(shù)據(jù)點全舍去（注：已計算驗證小載荷數(shù)據(jù)個數(shù)少、作用時間短，對結(jié)果無影響），得到抓斗下降過程中單根提升鋼絲繩的拉力與采集到載荷點的關(guān)系圖。拉力記為Fd，傳感器的采樣頻率為f=6.25Hz。在抓斗下降過程中，采樣時間約為t=15s，采集到數(shù)據(jù)n=90個。根據(jù)概率統(tǒng)計學(xué)原理，只需求出采集到數(shù)據(jù)的均值和標準差即可。

3.1.2 主鋼絲繩載荷譜的計算機處理

對于提升鋼絲繩在實際測試過程中的載荷數(shù)據(jù)而言，其除了會被主要的抓斗及料重載荷還有次要的機械振動載荷影響外還會受到很多其他因素的影響。通常情況下，這些載荷一般以二級波、三級波甚至一些高級小量循環(huán)的形式表現(xiàn)出來，由于這些小量循環(huán)不可能構(gòu)成疲勞損傷，因此，一般將其稱為無效幅值，并且應(yīng)該在計數(shù)載荷-時間時將其舍棄，再采用雨流計數(shù)法使符合實際載荷的載荷譜生成。由于載荷有著較大的數(shù)據(jù)量，因此對其的處理只能依靠計算機，并且還要用到一個叫MATLAB的著名數(shù)學(xué)軟件。

3.2 差動減速箱齒輪彎曲疲勞壽命設(shè)計計算

3.2.1 齒輪許用齒根應(yīng)力及其修正系數(shù)的計算

齒輪許用齒根應(yīng)力的計算公式為：

式中：—試驗齒輪的彎曲疲勞極限，450MPa；

—試驗齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)，Ys：=2

—抗彎強度計算的壽命系數(shù)

一相對齒根圓角敏感系數(shù)

式中：為材料滑移層厚度；為齒根危險截面處的應(yīng)力梯度與最大應(yīng)力的比值；

—相對表面狀況系數(shù) =1.

—抗彎強度計算的尺寸系數(shù)，=1.05一0.0l

—彎曲強度最小安全系數(shù)，=2。

3.2.2 齒輪彎曲疲勞壽命計算

前面己經(jīng)確定了齒根計算應(yīng)力，以及許用齒根應(yīng)力計算公式中除壽命系數(shù)以外的所有參數(shù)，根據(jù)齒根彎曲疲勞強度的強度條件，就可以確定的值。

壽命系數(shù)與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間有著對應(yīng)關(guān)系，對于滲碳淬火鋼：

根據(jù)上式，即可確定齒輪的彎曲疲勞壽命。

3.3 差動減速箱圓錐滾子軸承受力分析

滾動軸承受徑向力：

圓錐滾子軸承的滾動體與滾道接觸部位存在接觸角a，在承受徑向力的作用時，軸承內(nèi)圈的擋邊對滾動體產(chǎn)生軸向力S，設(shè)軸承1所受的軸向力為S1，軸承2所受的軸向力為S2，根據(jù)圓錐滾子軸承在半數(shù)滾動體接觸時內(nèi)部軸向力S的計算公式

由機械設(shè)計手冊查表得e=0.4047，Y=2.4831或Y=1.6678。

經(jīng)計算得軸承受力符合公式（3.8）的第一種情況，滾動軸承受軸向力：Fa1=1934·7N，F(xiàn)a2=4504.1N。

3.4 差動減速箱關(guān)鍵零部件壽命評估

3.4.1 差動減速箱輸出軸的壽命評估

差動減速箱輸出軸最大應(yīng)力處的直徑=350mm，所用的材料為42CrMoA，并作調(diào)質(zhì)處理，表面精車細磨。通過查表得知該材料的抗拉強度=1080Mpa，屈服點=930Mpa，疲勞強度極限平均值=350.7Mpa，疲勞強度極限的標準差=12.4Mpa

3.4.2 輸出軸上的大齒輪的壽命評估計算

輸出軸上大齒輪的材料為17CrNiMoA，熱處理方法為滲碳處理加淬火處理加回火處理，其力學(xué)性能為：拉伸強度極限σb-1150Mpa，屈服極限σs-850Mpa，表面硬度 HRC-58，彎曲疲勞極限分光滑試樣：630Mpa；有肩試樣：252Mpa；有孔試樣：217Mpa；接觸疲勞極限σHlim-1500Mpa；有效應(yīng)力集中系數(shù)Kf=1.76；尺寸系數(shù)ε=0.67；表面質(zhì)量系數(shù)β=1；載荷修正系數(shù)CL=0.85；

對于低速重載齒輪來說，其主要的失效形式是點蝕與斷齒，而齒輪所受到的外載荷是引起齒輪損傷的關(guān)鍵因素，在上一章節(jié)中，已經(jīng)繪出了齒輪接觸疲勞應(yīng)力和彎曲疲勞應(yīng)力的載荷譜，現(xiàn)在只需要繪出齒輪的接觸應(yīng)力P—S—N曲線和彎曲應(yīng)力的p—S—N曲線，然后應(yīng)用Miner法則即可估算出齒輪的解除疲勞壽命和彎曲疲勞壽命。

4 結(jié)語

綜上所述，本文對卸船機差動系統(tǒng)故障采用有限元虛擬建模分析，快速有效地檢驗了設(shè)備的可靠性、降低了日常維護成本，并為以后的點修工作提供大量詳實的數(shù)據(jù)。

參考文獻

[1]左文巧.抓斗卸船機鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力譜統(tǒng)計及疲勞壽命評估[D].上海交通大學(xué)，2011.

[2]張暢.抓斗卸船機關(guān)鍵零部件載荷譜及壽命評估[D].上海交通大學(xué)，2010.

（作者單位：上海梅山鋼鐵股份有限公司設(shè)備分公司）