陳敏 劉金 彭啟鳳

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起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)減速器高速軸斷裂分析*

陳敏 劉金 彭啟鳳

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院）

為確定某門(mén)座起重機(jī)在發(fā)生臂架墜落事故時(shí)變幅機(jī)構(gòu)減速器的高速軸發(fā)生斷裂的原因，分析軸斷裂時(shí)所受的應(yīng)力分布及變形狀態(tài)，結(jié)合起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)減速器高速軸的承載情況，建立有限元模型并進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明：高速軸應(yīng)力最大時(shí)軸頸變形達(dá)到91.07 mm，從而推斷事故發(fā)生時(shí)，減速器高速軸在臂架墜落載荷和制動(dòng)器瞬時(shí)制動(dòng)的影響下發(fā)生斷裂。

起重機(jī)；斷軸；失效分析

0 　引言

世界經(jīng)濟(jì)和國(guó)際貿(mào)易的快速發(fā)展，促進(jìn)了港口貨物吞吐量的不斷增長(zhǎng)，使得港口裝卸的需求量日益增加，門(mén)座式起重機(jī)已成為不可或缺的重要設(shè)備[1]。門(mén)座式起重機(jī)作為船廠和港口專(zhuān)用的裝卸和搬運(yùn)機(jī)械設(shè)備，具有高效作業(yè)能力、低成本建設(shè)費(fèi)用，機(jī)動(dòng)性和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。大型鋼絲繩變幅門(mén)座式起重機(jī)可進(jìn)行散貨或標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的裝卸，但因各種原因，使用過(guò)程中偶爾會(huì)發(fā)生安全事故，其中由于變幅系統(tǒng)失效而導(dǎo)致的事故占有一定的比例[3-4]。

起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)通過(guò)改變幅度實(shí)現(xiàn)貨物水平運(yùn)輸[5]。減速器是變幅機(jī)構(gòu)的重要部件，其主要承載部件是減速器軸，起到承載軸上部件、傳遞轉(zhuǎn)矩和降低轉(zhuǎn)速的作用。減速器軸工況復(fù)雜，受力也比較復(fù)雜，尤其是減速器高速軸，轉(zhuǎn)速較高，且常受制動(dòng)力矩的作用，易出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致重大事故，造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[6-7]。本文對(duì)某門(mén)座起重機(jī)發(fā)生事故時(shí)，變幅機(jī)構(gòu)減速器軸發(fā)生斷裂的現(xiàn)象進(jìn)行仿真分析，計(jì)算事故發(fā)生時(shí)減速器高速軸所受的應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)，推斷減速器高速軸發(fā)生斷裂的原因。

1　斷軸事故概述

某單臂架鋼絲繩變幅門(mén)座起重機(jī)發(fā)生臂架墜落事故，變幅機(jī)構(gòu)減速器的高速軸同時(shí)發(fā)生斷裂，斷裂位置在軸頸處。經(jīng)事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于聯(lián)軸器螺栓脫落，電機(jī)扭矩?zé)o法傳遞到減速器高速軸，變幅機(jī)構(gòu)的支持制動(dòng)器和安全制動(dòng)器處于松閘狀態(tài)，導(dǎo)致變幅系統(tǒng)失控，臂架發(fā)生墜落。當(dāng)安全制動(dòng)器和支持制動(dòng)器動(dòng)作時(shí)，臂架下墜速度已經(jīng)非常快，4個(gè)制動(dòng)器上閘制動(dòng)仍無(wú)法阻止臂架繼續(xù)下墜。由此可初步推斷，在臂架高速下墜過(guò)程中，變幅卷筒通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)變幅機(jī)構(gòu)減速器軸反轉(zhuǎn)，造成減速器高速軸斷裂。為進(jìn)一步定量分析發(fā)生斷裂的軸所承受的應(yīng)力分布和變形狀態(tài)，分析高速軸承載情況，并進(jìn)行仿真分析。變幅機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2　載荷分析

為便于有限元分析的加載，利用鋼絲繩與變幅卷筒之間的速度關(guān)系及減速箱低速軸與高速軸之間的傳動(dòng)關(guān)系，將各部件所受的力矩折合到高速軸。

1）分析計(jì)算安全制動(dòng)器剛開(kāi)始制動(dòng)時(shí)，減速器高速軸角速度大小。

2）分析計(jì)算安全制動(dòng)器與高速軸制動(dòng)器同時(shí)作用時(shí)，減速器高速軸的角速度。

將制動(dòng)過(guò)程中臂架及吊鉤組對(duì)臂架下鉸點(diǎn)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為變幅卷筒的力矩，受力情況分析如圖2所示。

圖2　起重機(jī)臂架受力簡(jiǎn)圖

此時(shí)，變幅卷筒力矩可表示為

可求得此時(shí)減速器高速軸的角速度為

3　有限元分析

3.1　 分析單元選取

由于減速器高速軸為同種類(lèi)型的實(shí)體，選取實(shí)體單元建模，并通過(guò)單元與左右2個(gè)端面剛性耦合，以便施加力矩。

模型采用掃描方式劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3　模型網(wǎng)格劃分圖

3.2　設(shè)置材料屬性

該起重機(jī)減速器高速軸材料為45鋼，密度為7850 kg/m3；楊氏模量參數(shù)為2.1 E+011；泊松比為0.3；屈服強(qiáng)度參數(shù)為3.55E+08；切向模量為8.84E+09。

3.3　載荷的施加

由于制動(dòng)器約有0.04 s的延遲時(shí)間，啟動(dòng)瞬間會(huì)造成較大的沖擊，產(chǎn)生的制動(dòng)力矩高于額定制動(dòng)力矩；0.4 s時(shí)，制動(dòng)器施加有效制動(dòng)力矩。高速軸上施加的力矩變化曲線(xiàn)如圖4所示，齒輪對(duì)高速軸施加的角速度載荷曲線(xiàn)如圖5所示。

3.4 　計(jì)算結(jié)果分析

由高速軸的變形云圖可以看出，高速軸應(yīng)力最大時(shí)軸頸變形達(dá)到91.07 mm，即在臂架墜落載荷及制動(dòng)器瞬時(shí)制動(dòng)的影響下，高速軸發(fā)生斷裂。高速軸最大的應(yīng)力及應(yīng)變?cè)茍D如圖6、圖7所示。

圖4　制動(dòng)力矩變化曲線(xiàn)

圖5 　齒輪對(duì)高速軸施加的載荷曲線(xiàn)

圖6 　高速軸最大應(yīng)力云圖

圖7　高速軸最大變形云圖

結(jié)合事故調(diào)查，由仿真分析的計(jì)算結(jié)果可以得知：該起重機(jī)發(fā)生臂架墜落事故時(shí)，臂架在高速下墜過(guò)程中，通過(guò)變幅鋼絲繩帶動(dòng)變幅卷筒快速反轉(zhuǎn)；卷筒通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)變幅機(jī)構(gòu)減速器低速軸反轉(zhuǎn)；變幅減速器高速軸嚴(yán)重超速；在臂架墜落載荷及制動(dòng)器瞬時(shí)制動(dòng)的影響下，變幅機(jī)構(gòu)減速器的高速軸發(fā)生斷裂。

4　結(jié)語(yǔ)

在本次起重機(jī)臂架墜落事故中，變幅機(jī)構(gòu)的安全制動(dòng)器和支持制動(dòng)器無(wú)法阻止臂架的高速墜落，即無(wú)法避免減速器高速軸的斷裂。事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，誘發(fā)此事故發(fā)生的緣由為聯(lián)軸器螺栓脫落。因此，在起重機(jī)使用過(guò)程中，日常維護(hù)保養(yǎng)尤為重要。此外，通過(guò)仿真分析計(jì)算反演再現(xiàn)事故發(fā)生時(shí)零部件的受力情況，可為事故原因的調(diào)查提供有效的幫助，在起重機(jī)各類(lèi)事故中可廣泛應(yīng)用。

[1] 陳敏,黃國(guó)健,吳粵平,等.基于有限元的門(mén)座起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及應(yīng)力測(cè)試[J].自動(dòng)化與信息工程,2013,34(4):31-34.

[2] 劉金,黃國(guó)健,王新華,等.門(mén)座起重機(jī)疲勞裂紋擴(kuò)展壽命分析研究[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,32(2):142-145,151.

[3] 劉劍波.單臂架門(mén)座起重機(jī)卷筒補(bǔ)償變幅系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2012(7):4-7.

[4] 李建成,周強(qiáng).門(mén)座起重機(jī)結(jié)構(gòu)件制造及整機(jī)總裝物流系統(tǒng)分析與建模[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2014(6):36-40.

[5] 趙瓊,童水光,鐘崴,等.基于GA-FEA的門(mén)座起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2015,49(5):880-886.

[6] 蔣晶,王永,潘軍遠(yuǎn),等.橋式起重機(jī)小車(chē)運(yùn)行減速器斷軸事故分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2016(6):87-90.

[7] 強(qiáng)成健,潘海寧.塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)斷軸事故分析[J].建筑機(jī)械化,2007(11):69-71.

Analysis on High-Speed Shaft’s Fracture of Luffing Mechanism of Portal Crane

Chen Min Liu Jin Peng Qifeng

(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing)

An Jib Falling accident occurs on a portal crane, at the same time , the high speed shaft of the reducer is broken. In order to determine the cause of the fracture of the high speed shaft and the stress and deformation of the shaft, we analyze the bearing capacity of the high speed shaft, and establish the finite element model. The results show that the maximum axial stress at high speed has reached the 91.07 mm, which means the shaft is broken under the influence of the load of the falling jib and the instantaneous the brake.

Crane; Shaft Breaking; Failure Analysis

陳敏，男，1988年生，工學(xué)碩士，主要研究方向：機(jī)械設(shè)備仿真分析與風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)，起重機(jī)械安全評(píng)估等。E-mail: zidane2006@qq.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家質(zhì)監(jiān)總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2017QK064）；廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項(xiàng)目（2018CT32）；廣州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項(xiàng)目（2018kj09）。