大型門式起重機開式齒輪傳動系統振動原因分析

劉寶軍

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

隨著造船市場迅猛發展，造船周期越來越短，對造船用大型門式起重機的使用要求越來越高，除了安全可靠外，還要求效率高，故障率低。但是在實際使用過程中，由于門式起重機起升機構中，開式齒輪傳動系統的振動，而引發的停機事故頻頻發生，不但降低了生產效率，而且存在巨大的安全隱患。

1 案例狀況

某造船用門式起重機有3 套主起升機構，其中上小車為1#和2#起升機構，額定吊載均為450 t，下小車為3#起升機構，額定吊載500 t。滿載最大起升速度為3 m/min，空載最大起升速度為9 m/min。開式齒輪傳動系統中大齒輪直徑為2 330 mm，總質量約3 t，小齒輪直徑為420 mm，總質量約0.3 t。大齒輪與卷筒用螺栓連接，小齒輪為齒輪軸，布置形式如圖1所示。2008年5月，該門式起重機2#起升機構出現振動情況，噪音很大，被迫停機檢修。

圖1 開式齒輪布置形式

2 設備振動檢測依據的標準

振動檢測診斷依據的國際標準為“ISO 10816/3機械振動——在非旋轉部件上測量和評定機器振動”，并根據設備的具體功率、轉速等參數，確定設備檢測的振動標準，見表1。

表1 設備振動狀態分類

3 振動檢測數據

檢測點布置如圖2 所示，各測量點均為軸承位置，分別測量水平方向和豎直方向的振動，測得的振動數據見表2。

圖2 檢測點位置

表2 設備振動數據

從表2 的數據可以看出，各個測量點的數據均超出規定值，設備的運行狀態綜合評價為D（不可接受）。

4 原因分析

根據現場的振動情況，對檢測數據進行分析，引起振動的主要原因，有如下幾個方面：

（1）開式齒輪嚙合不良，是導致系統振動的直接原因。

首先，從現場情況看，大、小齒輪齒面均嚴重磨損，在嚙合線附近形成大面積凹坑（見圖3 和圖4），齒廓曲線已非漸開線型，大、小齒輪的齒廓曲線不能形成共軛關系，導致嚙合不良。

圖3 大齒輪齒面磨損情況

圖4 小齒輪齒面磨損情況

其次，大、小齒輪的支承底座的剛度不足，起升系統吊載后，在大、小齒輪嚙合點處形成一對作用力和反作用力（F大和F小，見圖5），其水平方向分力FH大和FH小相互背離，在其作用下，支承底座產生變形，使大、小齒輪的中心距變大。

根據齒輪計算公式：

齒距p=π m，

標準中心距a=m（z1+z2）/2，

推導出p=2πa/（z1+z2）。

中心距增大，導致齒距增大，在齒厚不能增加的情況下（實際上由于磨損，齒厚是減小的），齒輪側隙增大，遠超規定側隙，導致齒輪嚙合不良。

圖5 大小齒輪嚙合面處受力示意圖

（2）開式齒輪支承系統的固有頻率，與開式齒輪的嚙合頻率接近，導致整個傳動系統發生共振，將由于開式齒輪嚙合不良而產生的振動，進行了放大。

（3）起升減速箱與開式齒輪傳動系統中的小齒輪剛性連接，小齒輪的齒輪軸作為減速箱低速端的輸出軸，減速箱的振動頻率和開式齒輪的振動頻率直接相互影響及相會傳遞，對開式齒輪傳動系統的振動起到了誘發與放大的作用。

5 整改措施

（1）重新制作大、小齒輪，齒輪的加工精度由9級提高至7 級，并對大、小齒輪的齒面進行修緣、修形處理，提高嚙合精度。

（2）對傳動系統支承底座進行加強，增加其水平方向的剛度，保證在受載狀態下，大、小齒輪的中心距變化在設計誤差范圍以內。

（3）采用開式齒輪專用潤滑劑，改善開式齒輪嚙合面的潤滑條件，形成油膜保護，防止齒面產生啃蝕等破壞性磨損，保證開式齒輪良好的嚙合狀態。

通過采取以上措施，該起升機構中開式齒輪傳動系統運行狀況良好，達到了預期的效果。

6 結束語

經過對上述實例的分析與研究，為了保證大型門式起重機起升機構中開式齒輪傳動系統的平穩運行，建議采取如下措施：

一是保證系統支承底座有足夠的剛度，并使支承底座的固有頻率避開開式齒輪的嚙合頻率；

二是相應提高開式齒輪的制造精度，對齒輪進行修緣、修形處理，保證齒輪嚙合平穩；

三是優化起升系統的布置形式，開式齒輪和減速箱之間應采用聯軸節連接，避免減速箱振動頻率和開式齒輪嚙合頻率之間的相互影響；

四是提高開式齒輪的定位、安裝精度，以保證齒輪嚙合精度；

五是在設備使用過程中，應采用開式齒輪專用潤滑劑，始終保證齒輪嚙合面處于良好的潤滑狀態。

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