跑合試驗(yàn)對(duì)螺桿變幅機(jī)構(gòu)的必要性的實(shí)例分析

劉雷 徐萍

摘要：變幅機(jī)構(gòu)是門座機(jī)上的重要工作機(jī)構(gòu)，螺桿變幅機(jī)構(gòu)更頻繁的使用在船廠門座機(jī)，以解決重載大幅度的作業(yè)工況，其關(guān)鍵部位均為非標(biāo)設(shè)計(jì)，通過齒輪嚙合和螺紋嚙合進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并采用循環(huán)油浴潤(rùn)滑。螺桿變幅機(jī)構(gòu)在出廠前需要進(jìn)行空載及輕載跑合試驗(yàn)，以清除嚙合鐵屑，并核查變幅機(jī)構(gòu)的運(yùn)行平穩(wěn)性。

關(guān)鍵詞：螺桿變幅機(jī)構(gòu);螺母螺桿嚙合;膠合磨損;跑合試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TH458? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）12-0057-02

0? 引言

螺桿變幅機(jī)構(gòu)常用于船廠門座機(jī)的臂架系統(tǒng)變幅驅(qū)動(dòng)，其承載能力較大，適合船廠門座機(jī)重載大幅度的作業(yè)工況，屬于門座機(jī)上的關(guān)鍵部件，其性能的好壞對(duì)門座機(jī)影響極大;其次，變幅機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)包含齒輪嚙合、螺母螺桿嚙合，嚙合部位均為循環(huán)油浴潤(rùn)滑;同時(shí)，螺桿變幅機(jī)構(gòu)與臂架平衡系統(tǒng)緊密相關(guān)，需要非標(biāo)設(shè)計(jì)。因此，出廠前的機(jī)構(gòu)跑合顯得尤為重要。

本文以某船廠門座機(jī)螺桿變幅機(jī)構(gòu)為例，通過實(shí)際情況來分析來論證變幅機(jī)構(gòu)跑合的必要性。

1? 現(xiàn)象描述

因業(yè)主方供貨時(shí)間緊迫，門座機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)與常規(guī)的起升機(jī)構(gòu)等一樣，通過手盤方式粗略驗(yàn)證變幅機(jī)構(gòu)動(dòng)作。并未經(jīng)充分跑合就直接安裝到門機(jī)上?，F(xiàn)場(chǎng)第一次試車，著重驗(yàn)證臂架平衡系統(tǒng)的最大最小幅度是否可以達(dá)到，通過手盤變幅機(jī)構(gòu)將臂架幅度由最大幅度調(diào)節(jié)到中間幅度位置。等再次動(dòng)作時(shí)，變幅機(jī)構(gòu)微動(dòng)后，就不再動(dòng)作。

螺桿變幅機(jī)構(gòu)整體拆解返廠后，將各傳動(dòng)部位全部分開檢查。經(jīng)查，如圖1所示，小齒輪有兩個(gè)齒嚙合面磨損嚴(yán)重;大齒輪與殼體之間有顆粒物掉出，且分開后殼體上有較深的劃痕，如圖2和圖3所示。其余位置未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

2? 原因分析

螺桿變幅機(jī)構(gòu)的工作原理是，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)減速箱，減速箱低速軸套裝小齒輪，小齒輪通過嚙合帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪通過鍵傳動(dòng)帶動(dòng)鋼套及與鋼套緊配合的前后螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母與螺桿嚙合，將螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其中，采用前后螺母可以適當(dāng)解決螺桿正反沖擊問題。鋼套通過一對(duì)推力調(diào)心滾子軸承和一對(duì)深溝球軸承實(shí)現(xiàn)其軸向和徑向與殼體的固定。殼體與其后方的罩殼形成螺母螺桿嚙合區(qū)域的密閉箱體;殼體與齒輪罩殼以及隨螺桿一同伸縮的伸縮套形成另一個(gè)密閉箱體。兩個(gè)箱體理論上相互獨(dú)立，但由于傳動(dòng)需要，仍會(huì)有潤(rùn)滑油通過傳動(dòng)間隙從壓力高的箱體滲入壓力低的箱體。因此，螺桿變幅機(jī)構(gòu)還設(shè)有稀油潤(rùn)滑泵站，通過回油管路將嚙合產(chǎn)生的鐵屑等異物過濾，通過加油管路將干凈的潤(rùn)滑油補(bǔ)充進(jìn)來。異物需定期清除，潤(rùn)滑油也將酌情確認(rèn)是否更換。

從實(shí)際破壞位置來分析，導(dǎo)致螺桿變幅機(jī)構(gòu)的無法動(dòng)作后的直接表象是殼體與大齒輪之間的損壞。小齒輪外協(xié)進(jìn)廠時(shí)均有檢驗(yàn)記錄，其損壞是由于強(qiáng)行手盤變幅機(jī)構(gòu)導(dǎo)致，是螺桿變幅機(jī)構(gòu)微動(dòng)無法動(dòng)作后導(dǎo)致的。

查詢殼體和大齒輪可知，兩個(gè)零件配合面采用基孔制配合，配合公差為？準(zhǔn)550H7/g6。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，此配合的裝配方法為手動(dòng)旋進(jìn)，配合特征及使用條件為：具有很小間隙，適用于有一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)速度不高并且精密定位的配合，以及運(yùn)動(dòng)可能有沖擊但又能保證零件同軸度或緊密型的配合。

變幅機(jī)構(gòu)的電機(jī)功率為30kW，轉(zhuǎn)速為979rpm，減速箱速比為7.07，小齒輪齒數(shù)為25，大齒輪齒數(shù)94，模數(shù)為12mm。小齒輪的壓力角α=20°。小齒輪位置徑向力的計(jì)算如下：

小齒輪的輸出轉(zhuǎn)矩Md=9550*30/（979/7.07）=2069N·m

小齒輪直徑d0=m*Z=12*25=300mm

切向力Ft=2000*Md/d0=2000*2069/300=13793N≈13.8kN

徑向力Fr=Ft*tanα=13.8*tan20=5.023kN

上述計(jì)算的小齒輪徑向力通過嚙合傳遞給大齒輪，且徑向力相等。大齒輪的轉(zhuǎn)速=979/7.07/94*25=36.8rpm，大齒輪轉(zhuǎn)速即為螺母轉(zhuǎn)速。

結(jié)論，從轉(zhuǎn)速和徑向力正反向旋轉(zhuǎn)沖擊而言，此配合符合運(yùn)動(dòng)速度不高，運(yùn)動(dòng)有沖擊，同時(shí)需要精密定位等要求。選用此配合符合規(guī)范要求。

從定位來看，各相關(guān)零件在軸向和徑向均已完全定位，如圖4所示。并且件6與件3之間設(shè)有耐油橡膠石棉板，以防止因安裝縫隙導(dǎo)致漏油。

通過尺寸控制，件6可將推力調(diào)心滾子軸承頂緊，以避免螺桿徑向跳動(dòng)。后期了解確認(rèn)件6的臺(tái)階高度與圖紙不符，需要按圖重新制作。并實(shí)際驗(yàn)證，將件6的緊固螺栓施加力矩對(duì)螺桿驅(qū)動(dòng)反而不利，其緊固螺栓為內(nèi)六角螺栓，且使用彈簧墊圈，常規(guī)手動(dòng)擰緊即可。

由上述可知，螺桿變幅機(jī)構(gòu)無法動(dòng)作與設(shè)計(jì)圖紙無關(guān)。同時(shí)，設(shè)計(jì)圖紙及說明書內(nèi)明確要求，螺桿變幅機(jī)構(gòu)制作完成后需經(jīng)跑合試驗(yàn)驗(yàn)證，并清洗復(fù)測(cè)后方可安裝于起重機(jī)上。

3? 現(xiàn)象分析

目前，闡述干摩擦現(xiàn)象的理論很多，早先的機(jī)械摩擦嚙合理論認(rèn)為，兩個(gè)粗糙表面接觸時(shí)，接觸點(diǎn)互相嚙合，摩擦力就是嚙合點(diǎn)間切向阻力的總和，簡(jiǎn)單粘著理論認(rèn)為，兩粗糙表面在載荷作用下，摩擦副只是部分峰頂接觸，真實(shí)接觸面積Ar只有表觀接觸面積A的百分之一至萬分之一。所以，單位接觸面積上的壓力很容易達(dá)到材料的壓縮區(qū)服極限σSc而產(chǎn)生塑性流動(dòng)。

在接觸點(diǎn)受到高壓力和塑性變形后，臟污膜遭到破壞，很容易使基體金屬發(fā)生粘著現(xiàn)象，形成冷焊結(jié)點(diǎn)。在隨后相對(duì)滑動(dòng)中粘著處被破壞，有金屬屑粒從零件表面被拉拽下來或零件表面被擦傷的一種磨損形式。

按照粘著結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和破壞位置不同，粘著磨損有不同的形式，具體分為：輕度粘著磨損、一般粘著磨損、擦傷磨損、膠合磨損。實(shí)際破壞形式應(yīng)屬于膠合磨損。

膠合磨損的產(chǎn)生原因是，粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度比兩對(duì)磨材料的剪切強(qiáng)度大得多，而且粘結(jié)點(diǎn)面積較大時(shí)，剪切破壞發(fā)生在對(duì)磨材料的基體內(nèi)。此時(shí)，兩表面出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，甚至使摩擦副之間咬死而不能相對(duì)滑動(dòng)。

膠合磨損的避免措施是，合理的選擇配對(duì)材料，采用表面處理，限制摩擦表面的溫度。控制壓強(qiáng)及采用含有油性極壓添加劑的潤(rùn)滑劑等，都可減輕粘著磨損。

正常的磨損過程可分為三個(gè)階段，如圖5所示，分別是跑合磨損階段、穩(wěn)定磨損階段和劇烈磨損階段。

跑合磨損階段是指在新的摩擦副在運(yùn)行初期，由于對(duì)偶表面的表面粗糙度值較大，實(shí)際接觸面積較小，接觸點(diǎn)較少而多數(shù)接觸點(diǎn)的面積較大，接觸點(diǎn)粘著嚴(yán)重，因此磨損率較大。但隨著跑合的進(jìn)行，表面微峰峰頂逐漸磨去，表面粗糙度值降低，實(shí)際接觸面積增大，接觸點(diǎn)數(shù)增多，磨損率降低，為穩(wěn)定磨損階段創(chuàng)造了條件。

穩(wěn)定磨損階段是指磨損緩慢且穩(wěn)定，磨損率保持基本不變，屬正常工作階段。

劇烈磨損階段是指經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定磨損后，由于摩擦副對(duì)偶表面間的間隙和表面形貌的改變以及表層疲勞，其磨損率急劇增大，使機(jī)械效率下降、精度喪失、產(chǎn)生異常振動(dòng)和噪聲、摩擦副溫度迅速升高，最終導(dǎo)致摩擦副完全失效。

因此在穩(wěn)定磨損階段之前，對(duì)于復(fù)雜的變幅機(jī)構(gòu)，且變幅機(jī)構(gòu)內(nèi)有諸多自制件，必要的跑合磨損是必不可少的。比較完整的跑合試驗(yàn)要求要有空載、重載、往復(fù)運(yùn)動(dòng)等要求，且跑合過程中須有充分的潤(rùn)滑，跑合完成后必須進(jìn)行必要的清洗及零件查驗(yàn)。

4? 結(jié)論

綜上所述，結(jié)合摩擦面的破壞形式，當(dāng)前的破壞形式是由于變幅機(jī)構(gòu)安裝到門座機(jī)上之前，未進(jìn)行充分的跑合以降低表面粗糙度，且未對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行完全的拆解清洗及復(fù)檢，有鐵屑存在于變幅基體內(nèi)的可能性;其次，由于無潤(rùn)滑措施或潤(rùn)滑不充分，齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)在摩擦面發(fā)生粘結(jié)，進(jìn)而形成冷焊結(jié)點(diǎn)，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行拉扯，產(chǎn)生劃痕及溝槽，從而造成摩擦面的嚴(yán)重?fù)p傷。

5? 解決方案及驗(yàn)證

針對(duì)實(shí)際磨損情況，為盡量降低整改成本，整改方案為重新制作小齒輪、擋圈。在殼體上將磨損部位二次加工內(nèi)臺(tái)階面，在大齒輪磨損處對(duì)應(yīng)加工外臺(tái)階面，臺(tái)階深度作圖確認(rèn)。然后新增襯套，襯套外圈與殼體之間采用過度配合，并在結(jié)合面處增加定位螺釘;襯套內(nèi)圈與大齒圈之間的配合與原圖一致。同時(shí)，復(fù)測(cè)所有關(guān)鍵零部，排查未知隱患。

以上事宜全部完成確認(rèn)后，按照?qǐng)D紙及說明書要求，在正常潤(rùn)滑條件下，空載正反跑合，帶載正反跑合，跑合記錄獲得認(rèn)可后，方才回裝變幅機(jī)構(gòu)?；匮b后，根據(jù)門座起重機(jī)的吊重能力曲線驗(yàn)證空載、最大吊重力矩，最大幅度下主鉤滿載、副鉤滿載等工況的噪音情況及變幅機(jī)構(gòu)電流情況等。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證確認(rèn)，變幅機(jī)構(gòu)整改效果良好，可以投入使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張質(zhì)文，等主編.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1997.

[2]GB/T3811-2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).第2卷（第5版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4]邱宣懷，等主編.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，1997.