門座起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)改造

李 祥

張家港港務(wù)集團(tuán)港盛分公司

1 引言

張家港港務(wù)集團(tuán)港盛分公司9#泊位散貨專用碼頭配置了4臺(tái)16 t帶斗門座起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱帶斗門機(jī))，其中1#、2#帶斗門機(jī)為上海港機(jī)廠1991年出廠，變幅機(jī)構(gòu)采用螺桿、螺母驅(qū)動(dòng)。

2臺(tái)門機(jī)變幅機(jī)構(gòu)螺桿、螺母采用的是稀油系統(tǒng)潤(rùn)滑，保養(yǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)濾芯上銅屑、油泥較多，減速箱尾部殼體內(nèi)有斷裂的圓形墊片，運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、異響較大。為掌握螺桿、螺母磨損狀況，利用卡尺、塞尺定期對(duì)螺桿螺牙寬度、螺桿螺母?jìng)?cè)隙進(jìn)行測(cè)量監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示螺桿螺牙寬度磨損量在0.3～0.5 mm之間，螺桿螺母?jìng)?cè)隙在3.5～4.6 mm之間(標(biāo)準(zhǔn)側(cè)隙為1.2 mm)?？沙醪脚袛嗦輻U磨損基本正常，螺母磨損量偏大需要修復(fù)[1]。

2 改造方案選擇

恢復(fù)變幅機(jī)構(gòu)性能有兩種方案：一是保留現(xiàn)有螺桿螺母驅(qū)動(dòng)方式，加工新的螺母并更換；二是將原螺桿螺母驅(qū)動(dòng)更換為齒輪齒條驅(qū)動(dòng)。兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 變幅機(jī)構(gòu)性能恢復(fù)方案對(duì)比

由表1可知，采用更換螺母方式修復(fù)雖然費(fèi)用低，但施工周期長(zhǎng)、施工難度大、改造風(fēng)險(xiǎn)大，故未予采納。因此，1#、2#門機(jī)變幅機(jī)構(gòu)改造方案確定為將現(xiàn)有螺桿螺母驅(qū)動(dòng)更換成齒輪齒條驅(qū)動(dòng)，先對(duì)螺桿、螺母?jìng)?cè)隙較大的2#門機(jī)進(jìn)行改造。

3 變幅機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

門座起重機(jī)屬國(guó)家特種設(shè)備目錄行列，變幅機(jī)構(gòu)改造前后的工作級(jí)別、運(yùn)行參數(shù)必須保持不變。齒輪齒條式變幅機(jī)構(gòu)被廣泛使用，該類型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的齒條、驅(qū)動(dòng)開(kāi)式齒、減速箱、制動(dòng)器及聯(lián)軸器基本實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。因此，機(jī)構(gòu)主要零部件參數(shù)選擇及施工方案確定成為改造的關(guān)鍵。

3.1 主要零部件參數(shù)選擇

改造前采用的是螺桿、螺母驅(qū)動(dòng)，由于螺桿螺母?jìng)鲃?dòng)效率低，因此配備的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率普遍偏高。為減小改造費(fèi)用，原變幅機(jī)構(gòu)直流變頻電機(jī)及控制系統(tǒng)留用，變幅減速箱、開(kāi)式齒輪、齒條、聯(lián)軸器等需部件重新設(shè)計(jì)選型。

齒輪齒條式變幅機(jī)構(gòu)的承載能力主要由齒板或開(kāi)式齒的輪齒厚度和寬度決定，輪齒的厚度越大、寬度越寬，承載力越大。輪齒的厚度對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)為模數(shù)m，模數(shù)越大，輪齒越厚。從公司同類變幅機(jī)構(gòu)齒條參數(shù)和互換性角度兩方面考慮，選定該變幅機(jī)構(gòu)齒條輪齒模數(shù)m=22、寬度D=280 mm。在變幅驅(qū)動(dòng)電機(jī)不變、開(kāi)式齒輪模數(shù)及齒數(shù)(設(shè)定Z=13)確定后，減速箱速比基本確定，變幅機(jī)構(gòu)主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 變幅機(jī)構(gòu)主要參數(shù)

3.2 改造方案可行性驗(yàn)證

改造門機(jī)由于設(shè)計(jì)久遠(yuǎn)，門機(jī)所有圖紙均為手工繪制，為準(zhǔn)確判斷改造方案可行性，利用三維設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)改造周邊結(jié)構(gòu)件及施工方案零部件進(jìn)行建模(見(jiàn)圖1)，對(duì)其進(jìn)行空間布局、運(yùn)動(dòng)干涉、檢修空間檢查。

圖1 變幅機(jī)構(gòu)改造方案裝配模型

通過(guò)三維模型的空間布局、運(yùn)動(dòng)干涉、檢修空間檢查，發(fā)現(xiàn)方案中變幅幅度最小時(shí)，齒條尾部與平衡梁配重箱有干涉(見(jiàn)圖2)。通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)，分別將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)向下、向配重方向調(diào)整。當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)向配重方向調(diào)整時(shí)，齒條尾部下降緩慢，依然干涉；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)向下調(diào)整，齒條尾部運(yùn)動(dòng)方向由原方案的收幅上升改變?yōu)槭辗陆?。因此采納驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下降方案，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下降200 mm后齒條尾部與配重箱箱體最小距離為230 mm，滿足港機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中安全距離要求。

圖2 模型干涉圖

螺桿螺母驅(qū)動(dòng)和齒輪齒條驅(qū)動(dòng)是兩種完全不同的驅(qū)動(dòng)方式，螺桿螺母減速箱采用旋轉(zhuǎn)鉸與變幅平臺(tái)鉸接，齒輪齒條驅(qū)動(dòng)的搖架、減速箱、電機(jī)及制動(dòng)器均需動(dòng)力座與平臺(tái)焊接。在原平臺(tái)上構(gòu)建動(dòng)力座，現(xiàn)場(chǎng)施工范圍大，嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，因此采取驅(qū)動(dòng)平臺(tái)整體更換的方案。

3.3 改造前后受力分析

改造前螺桿螺母減速箱鉸接點(diǎn)設(shè)置在立柱上段后沿，驅(qū)動(dòng)牽引力在螺桿中心線上，改造后為確保齒條箱與配重箱無(wú)干涉，搖架輸入驅(qū)動(dòng)齒中心在原基礎(chǔ)上下降了130 mm，同時(shí)向臂架拎點(diǎn)水平移動(dòng)了750 mm。改造前后驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要受力點(diǎn)發(fā)生了較大變化，因此利用運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)機(jī)構(gòu)改造前后變化進(jìn)行了仿真分析[2-3]。

在象鼻梁頭部處負(fù)荷為16 t，螺桿或齒條以額定速度向外增幅的工況下，對(duì)兩種機(jī)構(gòu)變幅時(shí)的速度、加速度和變幅力進(jìn)行仿真分析和對(duì)比。

通過(guò)變幅速度和加速度仿真可得，變幅螺桿或齒條在勻速向外伸的過(guò)程中，變幅速度不斷減小，幅度越大、速度越慢(見(jiàn)圖3)。螺桿螺母機(jī)構(gòu)在變幅最小時(shí)有激烈的加速?zèng)_擊，隨幅度不斷增加，加速?zèng)_擊明顯減小。相比而言齒輪齒條式運(yùn)行平穩(wěn)(見(jiàn)圖4)。

圖3 螺桿螺母機(jī)構(gòu)變幅速度、加速度曲線

圖4 齒輪齒條機(jī)構(gòu)變幅速度、加速度曲線

通過(guò)變幅力仿真分析可得，螺桿屬細(xì)長(zhǎng)桿，抗拉不耐壓，因此原設(shè)計(jì)方案中螺桿在整個(gè)增幅過(guò)程中為受拉桿，最大拉力接近60 kN。相比而言齒輪齒條最大拉力為40 kN左右，明顯偏小。齒輪齒條式變幅拉力呈正弦曲線變化，幅度在11.7 m和26.5 m處存在拉力變化拐點(diǎn)，拐點(diǎn)變化平穩(wěn)，不會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生較大沖擊(見(jiàn)圖5、6)。

圖5 螺桿螺母機(jī)構(gòu)變幅力曲線

圖6 齒輪齒條機(jī)構(gòu)變幅力曲線

綜上所述，改造后齒條受力明顯減小、變幅過(guò)程中始終受拉力，不會(huì)產(chǎn)生明顯沖擊，改造后驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能滿足使用要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)施工及實(shí)施效果

現(xiàn)場(chǎng)施工主要有原驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拆除、新平臺(tái)安裝和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)排裝3個(gè)主要環(huán)節(jié)，3個(gè)環(huán)節(jié)均有不同的施工工藝要求。

在拆除原驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，螺桿螺母驅(qū)動(dòng)整體較長(zhǎng)，為確保減速箱及螺桿能從平臺(tái)中吊出，門機(jī)停放位置選擇在中間幅度。臂架系統(tǒng)、平衡梁與立柱采用剛性固定，螺桿收到最小幅度位置時(shí)，整體重心在減速箱旋轉(zhuǎn)鉸點(diǎn)前后，吊裝采用相鄰門機(jī)從平衡梁內(nèi)、外側(cè)換鉤進(jìn)行(2次掛鉤)。

舊平臺(tái)拆裝前原驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)減速箱鉸接點(diǎn)橫向、縱向中心移到立柱上，作為新平臺(tái)的定位基準(zhǔn)，新驅(qū)動(dòng)平臺(tái)焊接固定前用經(jīng)緯儀調(diào)平整度。

新驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝采用二次排裝法。一次排裝時(shí)，先將搖架支座按劃線標(biāo)記焊接到驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上，減速箱、電機(jī)底座按劃線標(biāo)記排裝到位并與平臺(tái)焊接；所有底座焊接后進(jìn)行二次排裝，借助百分表分步調(diào)整減速箱高、低速端齒型聯(lián)軸器同心度。由于減速箱、電機(jī)底座與搖架底座設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留3 mm高差，二次排裝時(shí)需要利用銅片填塞來(lái)調(diào)整減速箱低速軸、高速軸齒形聯(lián)軸器垂直方向同心度，調(diào)整按搖架低速軸到減速箱輸出軸、減速箱輸入軸到電機(jī)輸出軸的順序進(jìn)行。

經(jīng)近2個(gè)月的使用觀察，改造后變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，有效降低了突發(fā)性故障停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)設(shè)備性能得到明顯提升。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)利用機(jī)械三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，解決變幅齒條與配重箱干涉、機(jī)構(gòu)空間布局優(yōu)化等問(wèn)題，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真數(shù)據(jù)校核機(jī)構(gòu)，有效提高改造精準(zhǔn)度并縮短現(xiàn)場(chǎng)施工周期，可為類似設(shè)備的改造提供借鑒。