SEW-傳動設備（蘇州）有限公司 蘇州 215021

0 引言

斗輪堆取料機是指一種用于大型干散貨堆場的既能堆料又能取料的連續(xù)輸送的高效裝卸機械[1]。由可俯仰和水平擺動的皮帶輸送臂及其前端的斗輪、機架、運行機構等組成，皮帶可雙向運行，取料時由斗輪取料經(jīng)輸送臂送出，堆料時則由主輸送機運來的貨物經(jīng)輸送臂投向堆場。懸臂皮帶驅動減速器即肩負著此輸送帶的重任，在運行期間需隨著大臂架的俯仰而隨之跟隨擺動，由于工位特殊，對減速器的可靠性有較高要求[2]。

1 減速器故障特征與拆檢分析

1.1 驅動總成

減速器為3級傳動，速比i =16.15，帶軸端泵，箱體為專用散熱筋設計，減速器對電機服務系數(shù)為2.53。該型產(chǎn)品屬于成熟型設計，在此類工況有較多成功應用。電機為400 kW、4極電機，電機與減速器設置共同底座，通過液力耦合器與制動輪相聯(lián)接，減速器輸出軸通過鏈條式聯(lián)軸器與驅動輥筒聯(lián)接，在此工位該結構也為通用性配置。

1.2 驅動總成狀態(tài)檢查

該工位減速器運行大約3 a一直正常，在設備巡查中發(fā)現(xiàn)有異常噪音出現(xiàn)，隨即組織拆檢確認。

1）減速器內(nèi)部狀態(tài)檢查

所有齒輪和其他部位均未見異常，如圖1a所示；上下箱體在輸出軸軸承位置有明顯的啃傷痕跡，如圖1b所示；非輸出側軸承負荷區(qū)域存在逆時針約30°～40°的偏移，且咬傷痕跡較嚴重，如圖1c所示；箱體在輸出軸側部位存在一整圈的拖痕；軸承外圈有咬傷痕跡，內(nèi)圈和滾動體未見明顯的點蝕痕跡。

圖1 減速器內(nèi)部狀態(tài)

2）輸出軸軸承情況檢查

箱體內(nèi)部所有7套軸承，由于沒有發(fā)現(xiàn)軸承組件其他方面的問題，只發(fā)現(xiàn)外圈跑圈或材料磨損痕跡，因而重點針對輸出軸軸承外圈跑圈進行分析。

①非出軸端 約1/2外徑面上呈現(xiàn)嚴重的軸向材料粘著磨損痕跡，另1/2呈現(xiàn)輕微的圓周方向跑圈痕跡。

②出軸端 整圈都呈現(xiàn)輕微的、不連續(xù)的軸向材料磨損痕跡和較嚴重的圓周方向跑圈痕跡。

1.3 拆檢初步結論與勘查驗證

由于減速器除輸出軸軸承跑外圈外，其他均正常，且其痕跡的負荷區(qū)域在非正常部位。從裝配與設計角度出發(fā)，綜合考慮整體結構，非正常狀態(tài)有可能來源于輸出軸負載端，故需將輸出軸聯(lián)軸器的狀態(tài)檢查納入考察范圍。

檢查聯(lián)軸器鏈齒形部位，發(fā)現(xiàn)存在較明顯的壓痕，且在圓周分布上存在不一致現(xiàn)象：就單個齒形的壓痕來看，A側與B側的壓痕寬度不一樣，存在大小頭痕跡，同時A側與B側的壓痕深度不一樣，B側比A側壓痕寬且深。無論進場側還是出場側的旋轉方向，鏈輪輪齒均存在這種現(xiàn)象，同時一圈壓痕大小有明顯的不一致情況，如圖2所示。

圖2 聯(lián)軸器檢查信息

從痕跡信息推斷壓痕寬度與深度不一致，證明負荷加載在聯(lián)軸器輪齒的壓力不一樣，存在一頭大一頭小的現(xiàn)象，有扭曲存在，需要將工作一段時間之后的對中數(shù)據(jù)進行重新修正，鏈條若存在明顯的磨損，還需更換鏈條與鏈輪。

使用振動分析儀對現(xiàn)場另外一臺狀態(tài)相對較好的設備進行輸出軸聯(lián)軸器帶載運行狀態(tài)檢測，探頭布置如圖3所示，輸出軸軸心軌跡檢測結果如圖4所示，運行呈橢圓狀且存在夾角，同時對交叉相位檢查結果如圖5所示，發(fā)現(xiàn)相位偏差較大，輸出軸與滾筒軸存在X與Y方向的夾角。

圖3 聯(lián)軸器帶載檢測布置

圖4 軸心軌跡檢測數(shù)據(jù)

圖5 交叉相位檢查

經(jīng)過聯(lián)軸器的痕跡推斷與現(xiàn)場軸心軌跡和交叉相位的狀態(tài)檢測，找到輸出軸軸承跑外圈的原因。由于輸出軸與輥筒軸的軸線存在不同心且有高低的夾角，在帶載運行時會有額外的較大徑向力加載在輸出軸上，從而導致軸承運行時有沿著力的方向變形的趨勢，但箱體軸承座是固定的，從而在某個方向有額外的力加載。由于此現(xiàn)象不持續(xù)，因此會導致軸承先發(fā)生蠕動腐蝕，發(fā)展到一定程度即是跑外圈，箱體上的金屬部分粘連到軸承外圈上從而形成上述的相關狀態(tài)。若任由發(fā)展，下一步將是軸承滾動體點蝕磨損，保持架變形。由于使用期間檢查及時，軸承并未發(fā)生破壞性失效。

2 現(xiàn)狀確認與解決措施

在對減速器自身的設計、制造與裝配核查無誤后，首先需用經(jīng)濟的方法解決箱體軸承孔磨損導致箱體破壞性失效，其次需采用切實可行的預防措施來避免事故再次發(fā)生，提高可靠性。

2.1 有關箱體的磨損確認與再利用設計

鑒于輸出軸軸承跑外圈導致箱體軸承座孔磨損嚴重的現(xiàn)狀，將上下箱體合箱，結合面螺栓按照額定力矩裝配，將整個箱體進行三坐標全面檢測，確認磨損量達到0.25 mm，遠遠超過最低下限值，達到報廢級別。

箱體報廢將導致整個維修金額極高、維修周期遠遠超過生產(chǎn)可承受范圍。本文利用插值法就軸承座孔與軸承端蓋孔的相對位置進行模擬，對相關尺寸檢測后再次調(diào)整設計，利用分箱面的設計優(yōu)勢，使用調(diào)整中心高的設計，達到利用報廢箱體達到新壽命周期的目的。

首先將上下箱體合箱，螺栓按額定力矩安裝，使用三坐標測量基準數(shù)據(jù)；其次使用算法調(diào)整上、下箱體的分箱面高度值得到重新加工的數(shù)據(jù)，分箱重新加工箱體分箱面；再次確認相關關鍵數(shù)據(jù)值，文中的加工數(shù)據(jù)為上箱體加工0.708 5 mm，下箱體加工0.583 1 mm，合箱后螺栓按額定力矩安裝，對所有軸承座孔全部鏜孔精加工，完成箱體的再生，重要參數(shù)檢測報告如表1所示。

表1 部分故障樣本 mm

2.2 預防軸承再次跑外圈的方案與優(yōu)化設計

首要分析軸承跑外圈的影響因素。摩擦力矩M與軸承外圈相對轉動的驅動力矩Mr之間的匹配關系是主要研究對象[3]。軸承的摩擦力矩在轉速極低時較大，這是由于潤滑油膜尚未完全建立，同時軸承的摩擦力矩在高轉速時也較大，造成粘滯損耗的增加，因此反復啟?；蚋咚俚墓r，軸承位置跑外圈風險較高。阻止軸承外圈旋轉的條件即為外圈鉗制力矩大于軸承的摩擦力矩帶來的外圈旋轉力矩。在大部分的場合，設備啟動初始階段摩擦力矩會較大，所以工程應用需要重視這一點。影響軸承摩擦力矩M的主要因素有軸承類型與尺寸、載荷構成與大小、軸承內(nèi)部游隙、潤滑介質、運行精度、運行溫度等。在目前的工程應用中載荷構成與大小亟待研究，但大多沒有系統(tǒng)性的定性分析說明哪些因素是主要的，以及如何有針對性地提供解決措施。

增加鉗制力矩是最直接的措施，可以通過增加鉗制表面積來實現(xiàn)，也可以增加鉗制力、外圈端面夾持、增加鉗制摩擦系數(shù)等措施以達到加大鉗制力矩的目的。具體實施技術方案如圖6所示，但這些方案實施會存在一些問題，例如效果不確定、結構需較大的調(diào)整、沒有標準化，若軸承設計有浮動端，比改變將讓浮動變得困難。

圖6 通過改變公差配合、增加接觸面積、斷面夾持來加大鉗制力

在經(jīng)過多方論證后，利用此次箱體加工的機會，采用增加外圈定位銷的措施，此方案實用、經(jīng)濟，且定位銷的結構在設計上可以實現(xiàn)標準化。定位銷結構為剛性鉗制力及鉗制力矩，改造時保持原有軸承型號和接口尺寸，保持既有箱體結構設計，能適應頻繁啟停、換向、沖擊和振動載荷的應用，可靠性高。具體方案為：在箱體重新加工的過程中，對軸承座孔、軸承外圈增設定位銷孔設計（利用原標準軸承改制），具體如圖7所示。

圖7 定位銷設計方案

3 設備應用現(xiàn)場跟蹤

減速器在實施改造后到現(xiàn)場進行安裝，對聯(lián)軸器的安裝實施精確對中，并用振動分析儀再次檢查運行過程中的對中狀態(tài)，相位檢測結果如圖8所示，相差20°，振幅檢測結果如圖9所示，相差幾乎為零，和此前有明顯改善，減速器狀態(tài)正常。

圖8 軸心軌跡檢測

圖9 相位檢測

4 結論

經(jīng)過設計研究與實際驗證，在運輸機械驅動中，對于頻繁帶載啟動、載荷與加減速度變化較大的工況，若設備維護保養(yǎng)不便的狀態(tài)下，減速器軸承存在跑外圈的風險，易導致減速器破壞性失效。本文針對減速器分箱面的設計加以利用，將減速器中心高稍作修正，重新加工所有軸承座孔，讓受損的箱體恢復使用，在工程應用中有一定的經(jīng)濟價值。

同時對于軸承跑外圈導致破壞性失效提出了設置定位銷的解決方案并實施，采取預防措施避免再次損壞，綜合應用在減速器的設計上。由于定位銷設計有相關標準，在載荷變化急劇，沖擊頻繁的應用工況下，例如破碎機驅動應用，可以采取文中所述的措施應用于減速器初始設計中，具備一定的普適性。