1200t/h四索抓斗卸船機差動系統故障機理研究

程國華

摘 要：本文主要通過對1200t/h卸船機差動系統的分析和研究，整理出一套較為成熟的卸船機差動系統故障判斷方法和設備維護方法，從而提高卸船機的使用壽命。

關鍵詞：卸船機；差動系統；故障判斷；設備維護

1200噸/h卸船機差動系統的設備部件中，容易出現不同類型的設備故障，輕則導致在線修復時間長，重者則需要停機較長時間進行修復，對日常生產將會產生嚴重影響，帶來嚴重的經濟損失。

1 抓斗卸船機的概述

對于抓斗卸船機而言，其主要由主體塔架、走行裝置、俯仰裝置、懸臂梁、小車走行、卸料皮帶機、抓斗提升、抓斗開閉機構、卸料斗等組件構成。

目前，抓斗卸船機在散貨卸船作業中被絕大部分貨種所應用，只有一小部分如谷物類的貨物會采用氣吸式連續卸船機。同時相對于連續式卸船機來說，被稱為間歇性式作業的抓斗作業方式一方面有著不連續作業、較高能源消耗及很難保護環境等明顯的缺點，然而，另一方面又有著連續式卸船機無法比較的很多優點。比如：（1）較為成熟且運行可靠的技術；（2）作業受江海波浪的影響比較小；（3）機動靈活、生產便于安排。

2 工程案列分析

梅鋼公司運輸部原料碼頭共有4臺同一時期購進的采用“三合一”四卷筒機構并裝置了行星差動式設備的額定卸礦能力為1200t/h的行星差動式鋼絲繩牽引小車橋式抓斗卸船機，雖然這4臺卸船機都有著較多的優點，比如較大的抓取量、較小的維修保養量以及適應大船能力強等，但是其還是有部分明顯的不足比如：抓斗不夠平穩、較高故障率的豎懸臂及振動給料器平臺容易開裂等存在，特別是在行星差動減速箱方面，其可靠性存在偏差尤為明顯。1#卸船機在使用不到兩年的時間內，突然在抓礦石過程中發生故障，其陸側支持筒無法進行回轉，進而致使卸船機的工作無法正常進行。在將差動減速箱打開后，我們發現是差動齒輪行星包這個支持差動減速箱的核心部件受到了嚴重損壞，在對這種情況既沒有備件也沒有修理經驗的前提下，只能聯系廠家進行維修處理，最終耗費了十幾天來修復，對卸船機正常的工作流程造成了嚴重影響。不幸的是該卸船機在修復使用四年后又有類似的故障再次出現。并且其他已投產的卸船機在后期對差動減速箱進行拆檢過程中也有同樣的問題被發現。從上述情況中可以說明很有可能有問題存在于差動減速箱的差動齒輪行星包的設計上。

3 抓斗卸船機差動系統故障機理研究

3.1 主鋼絲繩載荷測量及處理

3.1.1 主鋼絲繩載荷測量

由于受到變載荷的作用，機械零部件就很容易產生疲勞損傷，在分析上述載荷-時間變化圖的基礎上，從中選出一個周期來進行研究，如下圖1所示。在正式進行研究過程中，只對載荷作用幅值與時間進行考慮，不必對載荷作用的順序考慮，這樣來研究橫坐標時間轉變為載荷作用點數。然后在對載荷點進行處理時采用MATLAB軟件，從而得到鋼絲繩在抓斗下降過程中被提升的拉力與時間變化的關系圖。

從圖1中提取從165s到180s的數據點，將小載荷（小于6.5×104N）的數據點全舍去（注：已計算驗證小載荷數據個數少、作用時間短，對結果無影響），得到抓斗下降過程中單根提升鋼絲繩的拉力與采集到載荷點的關系圖。拉力記為Fd，傳感器的采樣頻率為f=6.25Hz。在抓斗下降過程中，采樣時間約為t=15s，采集到數據n=90個。根據概率統計學原理，只需求出采集到數據的均值和標準差即可。

3.1.2 主鋼絲繩載荷譜的計算機處理

對于提升鋼絲繩在實際測試過程中的載荷數據而言，其除了會被主要的抓斗及料重載荷還有次要的機械振動載荷影響外還會受到很多其他因素的影響。通常情況下，這些載荷一般以二級波、三級波甚至一些高級小量循環的形式表現出來，由于這些小量循環不可能構成疲勞損傷，因此，一般將其稱為無效幅值，并且應該在計數載荷-時間時將其舍棄，再采用雨流計數法使符合實際載荷的載荷譜生成。由于載荷有著較大的數據量，因此對其的處理只能依靠計算機，并且還要用到一個叫MATLAB的著名數學軟件。

3.2 差動減速箱齒輪彎曲疲勞壽命設計計算

3.2.1 齒輪許用齒根應力及其修正系數的計算

齒輪許用齒根應力的計算公式為：

式中：—試驗齒輪的彎曲疲勞極限，450MPa；

—試驗齒輪的應力修正系數，Ys：=2

—抗彎強度計算的壽命系數

一相對齒根圓角敏感系數

式中：為材料滑移層厚度；為齒根危險截面處的應力梯度與最大應力的比值；

—相對表面狀況系數 =1.

—抗彎強度計算的尺寸系數，=1.05一0.0l

—彎曲強度最小安全系數，=2。

3.2.2 齒輪彎曲疲勞壽命計算

前面己經確定了齒根計算應力，以及許用齒根應力計算公式中除壽命系數以外的所有參數，根據齒根彎曲疲勞強度的強度條件，就可以確定的值。

壽命系數與應力循環次數之間有著對應關系，對于滲碳淬火鋼：

根據上式，即可確定齒輪的彎曲疲勞壽命。

3.3 差動減速箱圓錐滾子軸承受力分析

滾動軸承受徑向力：

圓錐滾子軸承的滾動體與滾道接觸部位存在接觸角a，在承受徑向力的作用時，軸承內圈的擋邊對滾動體產生軸向力S，設軸承1所受的軸向力為S1，軸承2所受的軸向力為S2，根據圓錐滾子軸承在半數滾動體接觸時內部軸向力S的計算公式

由機械設計手冊查表得e=0.4047，Y=2.4831或Y=1.6678。

經計算得軸承受力符合公式（3.8）的第一種情況，滾動軸承受軸向力：Fa1=1934·7N，Fa2=4504.1N。

3.4 差動減速箱關鍵零部件壽命評估

3.4.1 差動減速箱輸出軸的壽命評估

差動減速箱輸出軸最大應力處的直徑=350mm，所用的材料為42CrMoA，并作調質處理，表面精車細磨。通過查表得知該材料的抗拉強度=1080Mpa，屈服點=930Mpa，疲勞強度極限平均值=350.7Mpa，疲勞強度極限的標準差=12.4Mpa

3.4.2 輸出軸上的大齒輪的壽命評估計算

輸出軸上大齒輪的材料為17CrNiMoA，熱處理方法為滲碳處理加淬火處理加回火處理，其力學性能為：拉伸強度極限σb-1150Mpa，屈服極限σs-850Mpa，表面硬度 HRC-58，彎曲疲勞極限分光滑試樣：630Mpa；有肩試樣：252Mpa；有孔試樣：217Mpa；接觸疲勞極限σHlim-1500Mpa；有效應力集中系數Kf=1.76；尺寸系數ε=0.67；表面質量系數β=1；載荷修正系數CL=0.85；

對于低速重載齒輪來說，其主要的失效形式是點蝕與斷齒，而齒輪所受到的外載荷是引起齒輪損傷的關鍵因素，在上一章節中，已經繪出了齒輪接觸疲勞應力和彎曲疲勞應力的載荷譜，現在只需要繪出齒輪的接觸應力P—S—N曲線和彎曲應力的p—S—N曲線，然后應用Miner法則即可估算出齒輪的解除疲勞壽命和彎曲疲勞壽命。

4 結語

綜上所述，本文對卸船機差動系統故障采用有限元虛擬建模分析，快速有效地檢驗了設備的可靠性、降低了日常維護成本，并為以后的點修工作提供大量詳實的數據。

參考文獻

[1]左文巧.抓斗卸船機鋼結構應力譜統計及疲勞壽命評估[D].上海交通大學，2011.

[2]張暢.抓斗卸船機關鍵零部件載荷譜及壽命評估[D].上海交通大學，2010.

（作者單位：上海梅山鋼鐵股份有限公司設備分公司）