王明軒

（天津港歐亞國(guó)際集裝箱碼頭有限公司，天津 300461）

0 引言

在岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“岸橋”）上，實(shí)現(xiàn)小車、吊具及所吊運(yùn)的集裝箱沿大梁作水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)稱為小車機(jī)構(gòu)，與起升機(jī)構(gòu)、大車機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)一起并稱為岸橋四大機(jī)構(gòu)。小車機(jī)構(gòu)按其驅(qū)動(dòng)方式可分為自行式小車和鋼絲繩牽引式小車兩種。天津港歐亞國(guó)際集裝箱碼頭有限公司岸橋采用的是鋼絲繩牽引式小車機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)裝置布置在機(jī)房?jī)?nèi)，由一臺(tái)交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)通過(guò)梅花形彈性聯(lián)軸器與減速箱高速軸相連，通過(guò)安裝在減速箱低速軸上的齒形聯(lián)軸器與鋼絲繩卷筒相連，電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩通過(guò)減速箱傳遞到卷筒上，再通過(guò)小車牽引鋼絲繩卷繞系統(tǒng)帶動(dòng)小車總成沿敷設(shè)在前、后大梁的軌道上向前（海側(cè)）或向后（陸側(cè)）運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)集裝箱裝卸作業(yè)。

該岸橋小車運(yùn)行最大速度為240 m/min，加減速時(shí)間為6 s。其減速箱為某合資品牌的二級(jí)斜齒輪減速箱，額定功率為280 kW，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，減速箱的傳動(dòng)比為1：17.47，使用系數(shù)為2.12。小車機(jī)構(gòu)制動(dòng)器為盤(pán)式制動(dòng)器，布置在減速箱高速軸側(cè)，在梅花形聯(lián)軸器減速箱側(cè)的半聯(lián)軸器上安裝有制動(dòng)盤(pán)，通過(guò)制動(dòng)片夾緊制動(dòng)盤(pán)實(shí)現(xiàn)小車機(jī)構(gòu)的制動(dòng)。該盤(pán)式制動(dòng)器為某進(jìn)口品牌，制動(dòng)盤(pán)直徑為630 mm，制動(dòng)力矩為4000 N·m，制動(dòng)片退距為1 mm。

1 存在問(wèn)題

經(jīng)過(guò)多年的使用，在岸橋小車運(yùn)行加減速、換向或制動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)小車減速箱高速軸軸向竄動(dòng)的情況，且竄動(dòng)量逐漸增大，經(jīng)測(cè)量，竄動(dòng)量最大的可達(dá)2 mm。由于小車制動(dòng)器的制動(dòng)盤(pán)安裝在與高速軸剛性連接的半聯(lián)軸器上，高速軸的軸向竄動(dòng)會(huì)帶動(dòng)制動(dòng)盤(pán)的軸向竄動(dòng)，對(duì)制動(dòng)器產(chǎn)生不利影響：①制動(dòng)器打開(kāi)時(shí)，制動(dòng)盤(pán)在高速軸的帶動(dòng)下會(huì)接觸到制動(dòng)片，導(dǎo)致制動(dòng)片磨損過(guò)快、使用壽命很短；②制動(dòng)器閉合時(shí)，制動(dòng)盤(pán)的竄動(dòng)會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)器機(jī)架擺動(dòng)、各銷軸磨損加劇，導(dǎo)致制動(dòng)器故障頻繁。另外，高速軸的軸向竄動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致減速箱高速軸軸承受到?jīng)_擊，發(fā)出撞擊異響。

經(jīng)過(guò)分析，岸橋小車運(yùn)行加減速、換向或制動(dòng)時(shí)，由于吊具慣性的擺動(dòng)，帶動(dòng)小車有前后運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，并通過(guò)小車牽引鋼絲繩經(jīng)卷筒、低速聯(lián)軸器傳遞到減速箱低速軸。由于減速箱為斜齒輪傳動(dòng)，低速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)傳遞到高速軸時(shí)使高速軸產(chǎn)生了軸向力，是導(dǎo)致高速軸軸向竄動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源。

對(duì)高速軸斜齒輪受力情況進(jìn)行分析（圖1），可知高速軸齒輪所受圓周力Ft=2T1/d1，軸向力Fa=Ft×tanβ。其中，T1為高速軸轉(zhuǎn)矩，d1為齒輪分度圓直徑，β 為齒輪螺旋角。

根據(jù)岸橋小車機(jī)構(gòu)運(yùn)行負(fù)載計(jì)算（計(jì)算過(guò)程省略），小車減速箱在滿載運(yùn)行的情況下，其高速軸所受的扭矩T1=2495 N·m。而減速箱高速軸齒輪螺旋角β 為12°,高速軸小齒輪分度圓直徑為90 mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，高速軸齒輪所受圓周力Ft=55 kN，軸向力Fa=11.6 kN，該軸向力由高速軸軸向定位裝置承受。

圖1 斜齒輪受力分析

岸橋小車減速箱高速軸目前采用的軸向定位方式為悶蓋側(cè)浮動(dòng)，透蓋側(cè)定位。其中透蓋側(cè)軸承內(nèi)圈左側(cè)為軸肩定位，右側(cè)為過(guò)盈配合的聯(lián)軸器頂住軸套定位，透蓋側(cè)軸承外圈左側(cè)為200 mm×4 mm（德標(biāo)DIN 472）孔用卡簧定位，右側(cè)為端蓋定位。軸肩、軸套、端蓋均能承受較大的軸向力，而200 mm×4 mm 孔用卡簧為薄弱環(huán)節(jié)。通過(guò)查閱孔用卡簧德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 472:2011-10，其中對(duì)于卡簧的尺寸、承載能力、卡簧槽的尺寸進(jìn)行了規(guī)定，其中200 mm×4 mm 卡簧的承載能力可達(dá)55 kN，強(qiáng)度符合要求。

為了找出軸向間隙的來(lái)源，對(duì)減速箱進(jìn)行開(kāi)蓋檢查，發(fā)現(xiàn)卡簧和軸肩、軸套、端蓋定位沒(méi)有問(wèn)題，但卡簧槽邊緣金屬受卡簧不斷沖擊擠壓外翻變形，卡簧槽的寬度已由原設(shè)計(jì)的4.15 mm增大到6.00 mm（圖2）?？ɑ傻膹?qiáng)度和硬度較大，而減速箱箱體的強(qiáng)度和硬度都較低，箱體上加工的卡簧槽是薄弱環(huán)節(jié)，而增大的將近2 mm 的間隙正是減速箱高速軸竄動(dòng)量的來(lái)源。

2 改進(jìn)措施

圖2 高速軸定位卡簧槽損壞

通過(guò)分析和實(shí)地觀察測(cè)量，得出減速箱高速軸軸向竄動(dòng)原因?yàn)楦咚佥S定位卡簧槽強(qiáng)度不足、損壞變形所致?？梢杂幸韵聝煞N改進(jìn)方案。

方案1：增加卡簧槽的尺寸以增大強(qiáng)度。

將定位卡簧由標(biāo)準(zhǔn)件改為加工制作的8 mm 厚的剛性擋圈，重新加工減速箱箱體上的擋圈槽，通過(guò)增大寬度和深度來(lái)增大擋圈槽的強(qiáng)度，以滿足承受頻繁沖擊載荷的工況。這樣可以解決軸向竄動(dòng)的問(wèn)題，但此方案需將減速箱逐臺(tái)返廠解體以加工擋圈槽，工程量巨大，停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難。

方案2：在高速軸另一側(cè)（悶蓋側(cè)）增加定位措施。

在高速軸悶蓋側(cè)端蓋與軸承外圈之間增加定位圈，實(shí)現(xiàn)高速軸向左竄動(dòng)的定位（圖3）。

圖3 改進(jìn)前后的高速軸定位示意

此方案可以不用將減速箱返廠解體，提前加工好定位圈和調(diào)整墊片后，僅需將減速箱放油后拆下端蓋即可現(xiàn)場(chǎng)施工，工程量、維修費(fèi)用和停機(jī)時(shí)間均大幅減小。但此方案需考慮一個(gè)問(wèn)題，即減速箱高速軸兩端均有軸向約束，而減速箱運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)熱后高速軸會(huì)受熱伸長(zhǎng)，需預(yù)留適當(dāng)?shù)拈g隙量，防止軸承軸向載荷過(guò)大影響使用壽命。因此，需要對(duì)高速軸受熱伸長(zhǎng)量進(jìn)行計(jì)算。

減速箱內(nèi)高速軸的長(zhǎng)度L 約為400 mm，高速軸的材料為17CrNiMo6，其在100 ℃以下熱膨脹系數(shù)α 約為15×10-6℃-1，正常工作時(shí)減速箱溫升可達(dá)60～70 ℃，按溫升T=70 ℃計(jì)算，根據(jù)熱膨脹計(jì)算公式，高速軸的最大尺寸變化量δ=αLT=400×16×10-6×80=0.45 mm?？紤]到減速箱運(yùn)行有溫升時(shí)箱體同時(shí)也在膨脹，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最終確定安裝時(shí)預(yù)留0.2 mm 的間隙較為適宜。所加工的定位圈的寬度為19.6 mm，在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)通過(guò)精確的測(cè)量，選擇增加適當(dāng)數(shù)量和厚度的調(diào)整墊片，確保預(yù)留間隙為0.2～0.3 mm。

3 效果

目前此項(xiàng)改進(jìn)已在天津港歐亞國(guó)際集裝箱碼頭有限公司岸橋小車減速箱實(shí)施完畢，高速軸軸向竄動(dòng)的情況大為改觀，提高了小車機(jī)構(gòu)啟動(dòng)、制動(dòng)、換向時(shí)驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行平穩(wěn)性，改善了小車制動(dòng)器的工況，大幅提高了制動(dòng)片的使用壽命，節(jié)約了成本，降低了故障率和維修時(shí)間，取得了良好的效果。