高雨

摘 要：本文主要針對港口大型門座起重機(jī)三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承裝置的大齒圈斷齒機(jī)理進(jìn)行分析，通過總結(jié)引起其斷齒故障的各類因素，提出對應(yīng)的減少斷齒故障發(fā)生幾率的措施以及回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)的設(shè)備管理對策，以期為提高回轉(zhuǎn)支承使用壽命和門座起重機(jī)回轉(zhuǎn)工作的安全性提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：碼頭 門座起重機(jī) 工作特征 機(jī)理分析

現(xiàn)代港口碼頭中，大型門座起重機(jī)在裝卸作業(yè)中起到了重要的作用，它是港口碼頭數(shù)量最多和使用最多的機(jī)型，相對于其他起重機(jī)械而言，其機(jī)構(gòu)最多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是港口碼頭最典型的電動裝卸機(jī)械。同時它具有較好的工作性能和獨特的優(yōu)越結(jié)構(gòu)，通用性好，因此被廣泛地應(yīng)用于港口雜貨碼頭。作為港口門座起重機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一的回轉(zhuǎn)支承裝置，其重要性和安全性不言而喻。因此，為減少港口門座起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承故障的發(fā)生，做好其選型、安裝、使用和維護(hù)工作，對提高回轉(zhuǎn)支承的使用壽命及起重機(jī)整機(jī)的穩(wěn)定性，具有重要的工程實際意義。

港口門座起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)工作原理及工作特征

回轉(zhuǎn)軸承是標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的產(chǎn)品，種類多樣、規(guī)格齊全，并且有多種安裝方式，圖1是回轉(zhuǎn)支承模型。以滾道直徑為主參數(shù)，隨著軸承尺寸的增大，承載能力逐級增大。此外，在同一尺寸規(guī)格下還有不同的軸承類型可供選擇，以滿足起重機(jī)械對承載能力、軸向尺寸等的不同要求。按照滾動體的類型和排列方式，主要可分為四種類型：單排交叉滾柱式、單排四點接觸球式、雙排球式、三排滾柱式。因為港口門座起重機(jī)在工作時承受著較大載荷，且工作級別較高，因此對于回轉(zhuǎn)支承也有著特別的要求。根據(jù)港口起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承的受力特點，三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承的構(gòu)造特別適合港口起重機(jī)的使用要求。三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承是一種受力形式較為簡單的結(jié)構(gòu)，它由上、中、下三排滾柱和內(nèi)外三個滾圈組成，上、中、下三排滾柱根據(jù)受力大小做成不同的直徑，各自承受單一方向的外力，同時可以組合承受軸向力、徑向力和傾覆力矩，外滾圈外部為大齒圈，主要承受徑向載荷，內(nèi)滾圈分為上下兩排，主要承受軸向載荷。在典型的港口門座起重機(jī)中，三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈固定在轉(zhuǎn)臺底部，外圈固定在圓筒門架上部，其軸向與徑向尺寸都較大，通過不同的滾動體分別傳遞不同載荷，且滾動體的外形尺寸、位置放置與傳遞載荷的大小和方向相一致，同時滾動體與滾圈又是通過線接觸傳力，因此承載能力大，對沖擊和動載荷的抵抗能力強(qiáng)，是四種回轉(zhuǎn)軸承類型中承載能力最大的一種，且結(jié)構(gòu)牢固，因此適用于港口門座起重機(jī)。

圖1 回轉(zhuǎn)支承模型

1.螺栓孔；2.回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈；3.回轉(zhuǎn)支承外圈；4.輪齒

門座起重機(jī)的回轉(zhuǎn)部分安裝在上支座上，回轉(zhuǎn)支承中的大齒圈采用螺栓連接固定安裝在門座起重機(jī)的下支座上，工作過程中不發(fā)生轉(zhuǎn)動，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)功能主要通過驅(qū)動齒輪與大齒圈的嚙合傳動來實現(xiàn)。起重機(jī)進(jìn)行回轉(zhuǎn)作業(yè)時，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力傳遞路徑為：回轉(zhuǎn)電機(jī)--聯(lián)軸器--減速機(jī)--回轉(zhuǎn)小齒輪--回轉(zhuǎn)支承大齒圈?；剞D(zhuǎn)電機(jī)輸出的動力通過聯(lián)軸器傳遞給回轉(zhuǎn)減速機(jī)，驅(qū)動減速機(jī)運(yùn)行，位于減速機(jī)輸出端的回轉(zhuǎn)小齒輪與回轉(zhuǎn)支承大齒圈裝配成齒輪副進(jìn)行傳動。當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力傳至驅(qū)動小齒輪上時，驅(qū)動小齒輪就繞著回轉(zhuǎn)支承大齒圈開始轉(zhuǎn)動，從而將驅(qū)動力傳送至回轉(zhuǎn)支承。這時，被高強(qiáng)度螺栓固定的大齒圈并不能因為齒輪的嚙合而做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此，回轉(zhuǎn)小齒輪就會帶動門座起重機(jī)上回轉(zhuǎn)支座的支承內(nèi)圈繞大齒圈做行星式旋轉(zhuǎn)，從而利用整個回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)使起重機(jī)上部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與下部固定結(jié)構(gòu)之間實現(xiàn)360°的相對回轉(zhuǎn)運(yùn)動。

港口門座起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承大齒圈斷齒機(jī)理分析

在回轉(zhuǎn)支承的傳動運(yùn)動中，大齒圈與回轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動的小齒輪相互嚙合，傳遞相應(yīng)的動力和扭矩。與普通齒輪嚙合相比，這種嚙合傳遞更大的力和力矩，使回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在突然啟動或突然制動時產(chǎn)生更大的沖擊載荷。由于門機(jī)上部機(jī)體重達(dá)幾十噸甚至上百噸，其回轉(zhuǎn)慣性比較大，在作業(yè)時，頻繁的回轉(zhuǎn)、制動、起吊、下降等操作易使上部機(jī)體產(chǎn)生回擺和沖擊運(yùn)動，復(fù)雜的載荷情況造成了齒圈輪齒應(yīng)力的頻繁變化，易造成輪齒斷裂失效，同時，由于齒圈設(shè)計參數(shù)不合理、加工不當(dāng)?shù)纫蛩?，也會引起其在后期的工作中發(fā)生斷裂。

在引起回轉(zhuǎn)支承大齒圈斷齒因素的內(nèi)因方面，主要有齒圈設(shè)計參數(shù)不合理、齒圈的加工精度低、熱處理工藝不當(dāng)、初始疲勞裂紋引起斷齒、齒根抗彎曲強(qiáng)度降低、軸承支承剛度不夠等因素。在齒圈設(shè)計選用時若模數(shù)偏小，就會使齒根部分產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力較大，安全系數(shù)處于臨界值，以使其彎曲斷裂；齒圈在制造過程中產(chǎn)生的齒圈偏心、齒距偏差和齒形誤差等，都可能對輪齒嚙合產(chǎn)生影響，由于嚙合不良，會使輪齒受力不均而引起斷齒；在回轉(zhuǎn)支承齒圈熱處理加工時，若處理方式不當(dāng)，使齒圈存在硬度較大、殘余應(yīng)力、晶粒度等級未達(dá)標(biāo)等其他問題，其基體組織的性能沒有達(dá)到規(guī)定要求，因此在齒圈的后期作業(yè)過程中，可能產(chǎn)生輪齒的折斷現(xiàn)象；若輪齒存在初始裂紋，則在后期的回轉(zhuǎn)作業(yè)中，很容易由裂紋擴(kuò)展而使輪齒斷裂；輪齒經(jīng)過多次嚙合后齒厚變薄，彎曲強(qiáng)度降低，易在沖擊載荷的作用下引起斷齒；另外，回轉(zhuǎn)支承處于整機(jī)結(jié)構(gòu)剛度較為薄弱之處，如果上下連接支承的剛度不夠，則容易使回轉(zhuǎn)支承發(fā)生變形，對大齒圈造成額外擠壓，加劇其輪齒斷裂速度。

在引起回轉(zhuǎn)支承大齒圈輪齒斷裂的外因上，主要包括齒側(cè)間隙過小、過載及偏載影響、彎曲疲勞引起斷齒、回轉(zhuǎn)制動沖擊、振動影響、齒輪齒圈軸線平行度超出允許范圍等。齒側(cè)間隙過小時，起重機(jī)在吊裝作業(yè)過程中會由于偏載的存在，而使大齒圈輪齒會受到與之嚙合的小齒輪對其施加的徑向擠壓力，久而久之引起輪齒斷裂；由于回轉(zhuǎn)支承位于起重機(jī)中間部位，本來就承受較大的載荷，若多次發(fā)生偏載和超載情況，則更容易引起斷齒；在回轉(zhuǎn)制動過程中，若操作人員突然打反車，使制動力矩過大，會對大齒圈輪齒產(chǎn)生很大的沖擊影響；齒輪傳動過程中，原動機(jī)、軸承座、軸承和負(fù)載等外部激勵，以及齒圈嚙合處的內(nèi)部激勵，都會引起回轉(zhuǎn)支承的振動，從而對其輪齒產(chǎn)生影響，若振動較劇烈，則可能引起輪齒斷裂；如果小齒輪軸線與回轉(zhuǎn)支承大齒圈軸線嚴(yán)重不平行，會造成二者輪齒的不正常嚙合，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)支承大齒圈與小齒輪之間的有效嚙合區(qū)域大幅度減小，使回轉(zhuǎn)支承齒圈局部受力，易發(fā)生輪齒折斷問題。

位于回轉(zhuǎn)支承外圈的大齒圈，一旦發(fā)生折斷情況，更換大齒圈的操作難度將很大，在更換作業(yè)時，必須將門座起重機(jī)回轉(zhuǎn)平臺的上部機(jī)構(gòu)以及臂架系統(tǒng)從回轉(zhuǎn)平臺處全部拆開，工程量較大，對其它零部件也容易產(chǎn)生一定的影響。因此，積極預(yù)防斷齒情況和減少斷齒幾率，是很有必要的。

減小回轉(zhuǎn)支承齒圈斷齒幾率的措施

根據(jù)港口門座起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承的運(yùn)動特征及產(chǎn)生斷齒故障的各類原因，可采取相應(yīng)的優(yōu)化措施，以減少回轉(zhuǎn)支承齒圈斷齒故障。在回轉(zhuǎn)支承齒圈的設(shè)計制造方面，應(yīng)選擇合理的齒圈材料，適當(dāng)增大齒圈模數(shù)和安全系數(shù)，同時設(shè)計合理的齒根過渡圓角半徑，以增加其抗彎曲能力；在齒圈的加工過程中，要盡量提高其加工精度，以保證其良好的嚙合，同時可采用單齒淬火的熱處理工藝，提高其輪齒的承載能力；在回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方面，可通過合理調(diào)整齒輪嚙合的齒側(cè)間隙、提高回轉(zhuǎn)支承的連接剛度和安裝精度來減少大齒圈輪齒受到的偏載和擠壓影響；另外，可通過添加阻尼元件來減少回轉(zhuǎn)支承在制動時對輪齒產(chǎn)生的沖擊影響，同時應(yīng)限制超載情況的運(yùn)作，以降低外部載荷對回轉(zhuǎn)支承的影響；最后，要做好回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)的維護(hù)保養(yǎng)工作，及時清理回轉(zhuǎn)支承內(nèi)聚集的雜物，及時對其進(jìn)行潤滑并定期更換潤滑脂或潤滑油，定期對其回轉(zhuǎn)平穩(wěn)度進(jìn)行檢查。

（作者單位：莆田港務(wù)集團(tuán)有限公司）