下旋轉電磁掛梁起重機旋轉機構減速器殼體破裂分析及對策

張志發

【摘 要】針對我公司為邯鋼、重鋼、凌鋼等多家鋼廠承制的多部下旋轉電磁掛梁起重機的旋轉機構三合一減速器，安裝法蘭盤及殼體出現不同程度破裂現象，通過對減速器輸出軸承受工作載荷和沖擊載荷的受力及減速器殼體破裂處強度的分析，提出引發減速器殼體破裂的因素，并制定完善改進對策，徹底消除故障現象。

【關鍵詞】建筑機械；旋轉機構減速器；殼體破裂；載荷分析；復雜應力狀態

0 引言

下旋轉電磁掛梁、夾鉗冶金起重機是煉鋼廠連鑄連扎跨上板坯搬運、堆垛作業的關鍵設備，整機工作級別極高屬超重級，工作強度極大幾乎是24小時連續作業，邯鋼16+16噸、重鋼40+40噸、凌鋼20+20噸不同規格的下旋轉電磁吊在使用幾個月之后，都先后出現了旋轉機構三合一減速器安裝法蘭盤或殼體下部破裂的現象，更換上新的減速器，在使用大約三個多月或半年之后又出現破裂現象。為保證設備安全運行，查明引發破裂的原因，我們既從理論上分析，又在現場進行了參數測量。

1 旋轉機構的結構形式

下旋轉電磁掛梁起重機旋轉掛梁的典型機構型式如圖1所示：

圖1

它是由固定掛梁、回轉支承、旋轉掛梁、電磁盤四大部分組成。固定掛梁上部靠起升機構繩系與起重機上部小車的起升機構的卷筒相連，下部通過回轉支承與旋轉掛梁相連，而電磁盤是則掛在旋轉掛梁上的。起重機小車起升機構起升卷筒正反轉動通過小車上和固定掛梁上滑輪組及鋼絲繩組成的繩系完成整個旋轉電磁掛梁及工件的上、下垂直運動。而旋轉電磁掛梁的回轉運動是靠旋轉機構完成對，旋轉機構是由一臺（兩臺）三合一行星擺線針輪減速器上安裝的小齒輪驅動大外齒回轉支承（012.45.1400），回轉支承帶動旋轉掛梁轉動來完成掛梁及電磁吸盤下的鋼坯、型鋼或線棒材往復回轉運動的。掛梁回轉速度通常為：0.8～1.5r/min；回轉范圍為：0～180度。

旋轉機構三合一減速器結構形式：

旋轉機構減速器通常采用進口（如SEW或弗蘭德）或國產三合一減速器，它的電機部分采用自帶制動且帶手動釋放功能的鼠籠電機，電源380V，50Hz，功率通常為1.5～4.4 kW，轉速1400r/min；減速器為雙極行星擺線針輪減速器，速比通常在80～130內。

2 殼體破裂產生原因分析

2.1 殼體破裂部位

通過我們在不同事故現場的觀察，各家下旋轉電磁掛梁起重機減速器殼體破裂的部位，幾乎都是在行星減速器連接法蘭以上低級部分行星輪運行腔體外殼處（如圖所示區域），個別也有連接法蘭盤連接螺栓孔處破裂的。

2.2 工作狀態分析

旋轉機構部件在設計選型時，考慮到該種類起重機工作級超重級（A7以上），作業率極高，幾乎是24小時全天候工作，現場作業在起吊鋼坯、型鋼或線棒材時，理論上需要起重機駕駛室內的司機和地面指揮人員的相互配合，但現場實際操作時往往僅憑駕駛員根據觀察和感覺進行吸吊，如果磁盤中心與重物重心偏斜太多，則掛梁出現歪斜現象較頻繁。同時旋轉機構在大、小車運行中同步工作，平均每個作業循環旋轉機構的旋轉率大于80%，因此，從電機功率、減速器輸出扭矩、小齒輪強度到回轉支承承載能力均留有足夠的安全裕度。只是對三合一旋轉電機設計要求軟起動鼠籠電機，而實際使用的三合一減速器電機均為普通鼠籠式制動電機。

2.3 殼體破裂原因分析

現場首先對回轉機構齒輪副工作間隙，即外嚙合的小齒輪與回轉支承大齒輪嚙合處的齒側間隙，進行了測量和調整，齒側間隙合適，均在0.5mm～1mm之間，齒輪系嚙合良好，齒面未出現嚴重磨損現象，不存在由于齒輪制造誤差和回轉支承的彈性變形可能引起齒輪卡死現象。因此可以排除因齒輪副嚙合方面存在嚙合死角造成減速器輸出軸徑向載荷過大的因素。

該類起重機工作狀態特殊，旋轉掛梁要在工作中滿載狀態下不停反復回轉，調整角度，這完全靠三合一減速器旋轉電機的不停地起、制動，換向后再突然起、制動來完成，由于鼠籠電機起、制動力矩很大，產生了很大的沖擊載荷，再加上旋轉掛梁電磁吸盤下的鋼坯多為長度在6～12m的數根并排的長鋼坯，在回轉過程中突然起、制動時產生的慣性力矩就十分巨大，而且磁盤吸鋼坯時出現歪斜現象頻繁致使掛梁產生傾斜力矩都全部作用在減速器輸出軸上，再由圓柱出軸倒傳給擺線輪，擺線輪傳給針齒銷，再通過針齒套最后作用在針齒殼上，對針齒殼產生一個很大的徑向沖擊力，這個徑向沖擊力直接作用在行星輪腔體內壁上，由于行星減速器殼體材料多為鑄鐵件，它的承載強度本身就不高，承載能力弱，而且鑄造殼體內部多數隱藏著不被發現的鑄造缺陷，當它承受的載荷遠遠超過它的強度承受范圍時，便在此處產生破裂。因此，沖擊載荷是造成減速器殼體破裂的關鍵因素。

另外，三合一減速器與固定掛梁的連接是采用法蘭盤止口定位后，通過高強螺栓連接的。由于慣性載荷產生的徑向載荷很大，必然會引起減速器法蘭盤與固定掛梁結合面的相對位移和晃動，再加上輸出軸端的力和力矩本身是脈動的，而擺線輪對輸出軸的作用力是變化的，因此就使得減速器法蘭盤相對于固定掛梁止口結合面會產生一個交變位移，也就是對連接高強螺栓產生一個剪切力，會對連接螺栓起到破壞作用，同時由于反作用力，由于個別連接法蘭盤厚度偏薄，其強度降低，連接螺栓孔中心離法蘭盤邊緣較近，使得螺栓孔壁較薄，因此會造成該處破裂，也就是我們前面提到的個別減速器法蘭盤破裂現象產生的原因。

3 完善對策

針對上述原因，我們將旋轉三合一減速器上的普通電機改為變頻調速電機，相應的普通電氣控制改為變頻器PLC控制。由于變頻電機調速性能好，能夠實現平滑的無級變速，可在整個調速范圍內連續控制，起、制動平穩，實現真正意義上的軟起動，徹底消除由電機起動力矩突增帶來的沖擊性載荷，極大地改善了減速器出軸上的受力狀況，使得困擾我們的減速器殼體破裂問題迎刃而解。通常，在這類旋轉電磁掛梁起重機在設計時，我們會把起升機構和大、小車運行機構均設計成變頻控制，而唯一忽略了旋轉機構變頻控制的必要性，采用普通控制，也就是旋轉機構不是變頻調速。事實證明，恰恰是這一點出了問題，今后再設計此類起重機時，一定要按全變頻控制設計。

同時值得一提的是，現場對小齒輪與回轉支承的安裝精度及齒輪副的齒輪嚙合間隙的調整，也要經常檢查，嚴格保證，同時，盡量避免吸吊鋼坯時歪斜現象的出現，對設備的穩定性都有很大的好處，也同樣應該引起我們足夠的重視。

另外，在選擇國產行星擺線針輪減速器時，應注意其自身的產品質量，尤其是減速器殼體的強度和剛度以及連接法蘭盤的厚度都應有嚴格的保證。

我公司先后對上述幾家單位的下旋轉電磁掛梁起重機進行了現場改制，改制后平穩運行一年多來均未再出現旋轉機構減速器殼體破裂的現象。

【參考文獻】

[1]陳道南，盛漢中.起重機課程設計[M].2版.北京：冶金工業出版社，2000.

[2]張質文，虞和謙，王金諾，等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

[3]齒輪手冊編委會.齒輪手冊：上冊[M].2版.北京：機械工業出版社，2000.

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