斗輪堆取料機控制電纜卷筒減速器技術(shù)優(yōu)化分析

李靜澤

（滄州黃驊港礦石港務(wù)有限公司，河北滄州 061113）

0 引言

在大型機械設(shè)備運行過程中，電纜卷筒起到關(guān)鍵作用，能夠為設(shè)備提供電源、控制電源及信號實施。對于許多重型機械設(shè)備，如起重機、裝船機等，電纜卷筒控制著設(shè)備長距離的行走，對設(shè)備電纜進(jìn)行適當(dāng)?shù)木?、放操作，保證支持操作的電力具有連續(xù)性，整個設(shè)備系統(tǒng)也能正常運行。

1 技術(shù)優(yōu)化的必要性

本次研究的設(shè)備系統(tǒng)，主要設(shè)備有取料機、裝船機、皮帶機，這些設(shè)備的長距離行走均依賴于電纜卷筒裝置，且電纜卷筒的有效控制操作還需要結(jié)合對應(yīng)減速器。例如，在將電纜卷取的過程中，其電機會直接輸出動力，然后運用減速的部分將卷盤帶動起來、收取電纜。在電纜釋放過程中電機會輸出阻礙力，該作用力結(jié)合減速器將拉開卷盤的過程速度放緩，從而確保放纜的同步性特點，在實際停機電機過程中，由于長期堵轉(zhuǎn)的電機具有著制動器裝置，因此在斷電過程中電纜不會受本身自重的影響，也就不會滑落卷盤。但在實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，電纜卷筒的減速器裝置經(jīng)常會出現(xiàn)故障，導(dǎo)致整個設(shè)備系統(tǒng)難以穩(wěn)定運行，一些大型設(shè)備甚至無法行走，影響實際生產(chǎn)作業(yè)，因此需要進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，確保其效能的發(fā)揮。

2 電纜卷筒減速器的結(jié)構(gòu)特征

斗輪堆取料機的電纜卷筒減速器包括蝸桿結(jié)構(gòu)、蝸輪結(jié)構(gòu)、卷筒的連接法蘭、彈簧裝置、彈簧座結(jié)構(gòu)、摩擦片、調(diào)整螺母及調(diào)整螺桿等，其中調(diào)整螺桿、蝸桿及蝸輪之間有著一定的連接性，調(diào)整螺桿的實際螺旋升角會影響蝸輪和蝸桿的單向傳動操作，從而形成反向自鎖。電纜卷筒軸并沒有與蝸輪結(jié)構(gòu)直接聯(lián)接，通過滾動軸間接實現(xiàn)聯(lián)動，因此在電機運行時蝸輪無法直接傳遞輸出力矩。而電動卷筒軸會通過螺紋來與調(diào)整螺母實現(xiàn)聯(lián)接，再通過鍵與兩側(cè)的摩擦片實現(xiàn)聯(lián)接，整體實現(xiàn)一體化的傳動。

經(jīng)過特殊工藝的處理后蝸輪端部表面和摩擦片的表面會形成深度不一的螺紋，在壓簧產(chǎn)生壓緊作用時這能夠讓蝸輪的兩個端面與摩擦面更加充分地貼合，兩者的接觸面還會形成一層油膜，進(jìn)而輸出摩擦力矩、調(diào)控壓簧的實際壓緊力。這就相當(dāng)于調(diào)控輸出的摩擦力矩，使實際摩擦力矩與負(fù)載力矩之間更加協(xié)調(diào)、匹配。

3 控制電纜卷筒減速器的技術(shù)優(yōu)化

3.1 工作原理

在實際運行工作過程中，電纜卷筒需要控制大型設(shè)備的行走，因而在取料機的控制下會形成兩種動作，即卷纜動作與放纜動作，因此需要的電纜長度與大型設(shè)備行走的路程有關(guān)，一般設(shè)置為該路程的1/2。在本次研究中，斗輪堆取料機行走的路程約1200 m，而在整個路程中電纜卷筒的回轉(zhuǎn)半徑通常是在路程中間位置上處于最大值，而卷纜動作與放纜動作之間的自動化轉(zhuǎn)換主要通過換向器來實現(xiàn)。

（1）卷纜原理。主要是指電機輸出力矩來控制蝸桿機構(gòu)、蝸輪機構(gòu)以及摩擦制動機構(gòu)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為摩擦力矩傳遞到電纜卷筒的回轉(zhuǎn)軸位置上，帶動著卷筒實現(xiàn)卷纜操作。在這一過程中，機械設(shè)備大車的行走不斷加長，電纜卷起的實際回轉(zhuǎn)半徑也會逐漸增大，如果這時蝸輪端面上的摩擦力矩大于卷纜時的負(fù)載力矩，則摩擦片不會在蝸輪端面上出現(xiàn)滑動，當(dāng)電纜卷筒的實際轉(zhuǎn)動角速度不變但其線速度不斷增大時，卷纜的半徑也會增加，如果該線速度超過了實際設(shè)備行走的速度，那么卷纜過程會出現(xiàn)過緊的情況，其拉緊力不斷提升，負(fù)載力矩也會不斷增加，直到超過了摩擦力矩，則摩擦片就會在蝸輪端面上出現(xiàn)相對滑動，這時會消除許多額外的轉(zhuǎn)動，斗輪堆取料機設(shè)備的實際行駛速度就會與卷纜速度相匹配。在電機斷電以后，斗輪堆取料機設(shè)備會停止行駛運動，在反向自鎖的作用下其蝸輪機構(gòu)與蝸桿機構(gòu)會使外部回轉(zhuǎn)的力矩與傳遞的摩擦力矩之間形成平衡，從而進(jìn)一步精準(zhǔn)控制制動。

（2）放纜原理。放纜時首先是進(jìn)行驅(qū)動的電機會斷電停止作用，然后是蝸輪機構(gòu)與蝸桿機構(gòu)進(jìn)行反向自鎖，而這時電纜本身的自重作用影響再加上斗輪堆取料機在行駛時對電纜產(chǎn)生的拉力殘留，會進(jìn)一步促使卷筒軸發(fā)生相對力作用，帶動著摩擦片與蝸輪端面之間形成了滑動情況，放纜的速度也不會過快，這樣能夠保持與取料機實際行駛速度相匹配，控制放纜動作。

3.2 故障情況與原因分析

對減速器裝置蝸輪機構(gòu)及蝸桿機構(gòu)底部的減速器軸承檢查發(fā)現(xiàn)，軸承出現(xiàn)溫度過高的情況且溫度升高速度較快，像是當(dāng)斗輪堆取料機行駛一個垛位（實際長度約50 m）時，軸承的溫度已經(jīng)直接升高至70 ℃，而在這個溫度狀態(tài)工作，軸承就會受到高溫影響而出現(xiàn)損壞，如內(nèi)外圈結(jié)構(gòu)、滾珠及保持架等。如果未能對及時檢測并處理這一情況，就有可能導(dǎo)致出現(xiàn)蝸桿下端蓋被摩穿的事故，影響減速器整體的運行，不能實現(xiàn)正常的電纜卷放動作，取料機也就無法進(jìn)行取料。對該減速器裝置深入拆卸檢查分析發(fā)現(xiàn)，蝸桿機構(gòu)中無論是底部軸承還是上部軸承，均為雙列向心球形式結(jié)構(gòu)，同時底部的端蓋為蝸桿軸且向定位支撐，其蝸桿和蝸輪均未發(fā)生損壞，兩者在制造上具有較高的精度。

根據(jù)實際損壞情況可以知道，在卷纜作業(yè)時蝸桿受到一個較大軸向力的作用，再加上軸承本身的結(jié)構(gòu)形式影響、在軸向上的承載能力比較薄弱，同時其還會受到一個向下的軸向力，因此軸承會在一開始迅速發(fā)熱，隨后會逐漸出現(xiàn)局部構(gòu)件的磨損，最后損壞整個軸承，進(jìn)而對該軸承產(chǎn)生支撐作用的下端蓋也會出現(xiàn)局部磨損、最終將其磨穿。由此可以判斷，在該結(jié)構(gòu)的設(shè)計階段，設(shè)計人員可能未考慮軸承會受到向下軸向力的作用，也可能以為這一力不大而被忽視，因此設(shè)計形式存在不足，軸承難以滿足運行要求。即該軸承在設(shè)計或選型方面存在不合理之處，進(jìn)而影響取料機的工作。

3.3 技術(shù)改進(jìn)方案

電纜卷筒減速器的技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)方案有3 種，應(yīng)根據(jù)實際情況來選擇。

3.3.1 克服向下軸向力

該項改進(jìn)措施最為直接、有效的方式就是更換軸承，選擇向心推力型的軸承，這種軸承的特點是能夠承受軸向本身的荷載和豎直方向上的荷載，且豎直向上承受荷載的能力大于原軸承。根據(jù)豎直方向上荷載的計算結(jié)果來設(shè)計軸承尺寸，但其多數(shù)情況下不符合原安裝的尺寸。

3.3.2 更換蝸桿結(jié)構(gòu)

更換新的蝸桿時還需要保證其直徑大于原蝸桿尺寸，同時還需滿足軸承的安裝尺寸要求。更換以后，機體上的軸承孔通常需要重新加工，所以這種改進(jìn)方案的耗時較長，同時有成本較高、不經(jīng)濟的缺點，且其實際加工過程中的精度也難以控制。

3.3.3 在不改變原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實施改進(jìn)

主要是延長蝸桿機構(gòu)下端位置尺寸，讓其對另一盤向心推力軸承產(chǎn)生輔助作用，當(dāng)其豎直方向上軸承的載荷無異常時可以只考慮軸向荷載即可。不過改進(jìn)蝸桿時其長度會增加、結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，因而安裝位置也會發(fā)生改變。

具體實施的改造方案為：將蝸桿下端部位置上的螺紋部分連接到一個階梯軸，在該階梯軸的下方位置安裝一個推力型軸承，軸承座為新的端蓋。

實際改造加工的順序為：根據(jù)蝸桿下方外螺紋的形式加工連接階梯軸的內(nèi)螺紋，保證兩者相匹配、實現(xiàn)有效連接，并且所選階梯軸的長度與直徑應(yīng)當(dāng)超出需求標(biāo)準(zhǔn)，留有實際加工空間；在兩個軸連接好以后對新的軸承安裝位置進(jìn)行精細(xì)加工，主要是保證兩個軸的同心度相同；拆除原結(jié)構(gòu)的下端蓋，制作出新的端蓋和軸承座，再用螺栓孔固定和連接，對原來蝸桿的兩個軸承孔進(jìn)行有效定位；在減速器下箱體的端蓋位置加工出一個定位止口（深約1 mm），使其與新的端蓋軸承定位孔相匹配，確保其安裝后的同心度與蝸桿軸承相統(tǒng)一。

該項改進(jìn)可以大大降低減速器的故障概率，因此選用這種技術(shù)優(yōu)化方案比較合理。

4 結(jié)論

綜上所述，某斗輪堆取料機控制電纜卷筒減速器的原軸承設(shè)計缺陷導(dǎo)致減速器裝置常常會出現(xiàn)故障問題，進(jìn)而影響取料機的正常工作和生產(chǎn)效率。通過對其故障原因與基本情況的探析，設(shè)計了3 種的改進(jìn)方案，最終確定在不改變原結(jié)構(gòu)的前提下，通過在螺桿下端加新軸承、構(gòu)建鏈接軸承的方式進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，提升設(shè)備整體運行的穩(wěn)定性。