岸橋小車減速箱高速軸軸向定位的改進

王明軒

（天津港歐亞國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（以下簡稱“岸橋”）上，實現(xiàn)小車、吊具及所吊運的集裝箱沿大梁作水平往復(fù)運動的機構(gòu)稱為小車機構(gòu)，與起升機構(gòu)、大車機構(gòu)、俯仰機構(gòu)一起并稱為岸橋四大機構(gòu)。小車機構(gòu)按其驅(qū)動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構(gòu)，其驅(qū)動裝置布置在機房內(nèi)，由一臺交流變頻電動機驅(qū)動，電機通過梅花形彈性聯(lián)軸器與減速箱高速軸相連，通過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，電機產(chǎn)生的驅(qū)動力矩通過減速箱傳遞到卷筒上，再通過小車牽引鋼絲繩卷繞系統(tǒng)帶動小車總成沿敷設(shè)在前、后大梁的軌道上向前（海側(cè)）或向后（陸側(cè)）運行，實現(xiàn)集裝箱裝卸作業(yè)。

該岸橋小車運行最大速度為240 m/min，加減速時間為6 s。其減速箱為某合資品牌的二級斜齒輪減速箱，額定功率為280 kW，電機額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，減速箱的傳動比為1：17.47，使用系數(shù)為2.12。小車機構(gòu)制動器為盤式制動器，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)軸器上安裝有制動盤，通過制動片夾緊制動盤實現(xiàn)小車機構(gòu)的制動。該盤式制動器為某進口品牌，制動盤直徑為630 mm，制動力矩為4000 N·m，制動片退距為1 mm。

1 存在問題

經(jīng)過多年的使用，在岸橋小車運行加減速、換向或制動時，出現(xiàn)小車減速箱高速軸軸向竄動的情況，且竄動量逐漸增大，經(jīng)測量，竄動量最大的可達2 mm。由于小車制動器的制動盤安裝在與高速軸剛性連接的半聯(lián)軸器上，高速軸的軸向竄動會帶動制動盤的軸向竄動，對制動器產(chǎn)生不利影響：①制動器打開時，制動盤在高速軸的帶動下會接觸到制動片，導(dǎo)致制動片磨損過快、使用壽命很短；②制動器閉合時，制動盤的竄動會導(dǎo)致制動器機架擺動、各銷軸磨損加劇，導(dǎo)致制動器故障頻繁。另外，高速軸的軸向竄動還會導(dǎo)致減速箱高速軸軸承受到?jīng)_擊，發(fā)出撞擊異響。

經(jīng)過分析，岸橋小車運行加減速、換向或制動時，由于吊具慣性的擺動，帶動小車有前后運動的趨勢，并通過小車牽引鋼絲繩經(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，低速軸的轉(zhuǎn)動趨勢傳遞到高速軸時使高速軸產(chǎn)生了軸向力，是導(dǎo)致高速軸軸向竄動的動力來源。

對高速軸斜齒輪受力情況進行分析（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)岸橋小車機構(gòu)運行負(fù)載計算（計算過程省略），小車減速箱在滿載運行的情況下，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)過計算可知，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，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)。通過查閱孔用卡簧德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 472:2011-10，其中對于卡簧的尺寸、承載能力、卡簧槽的尺寸進行了規(guī)定，其中200 mm×4 mm 卡簧的承載能力可達55 kN，強度符合要求。

為了找出軸向間隙的來源，對減速箱進行開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)卡簧和軸肩、軸套、端蓋定位沒有問題，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)計的4.15 mm增大到6.00 mm（圖2）。卡簧的強度和硬度較大，而減速箱箱體的強度和硬度都較低，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量的來源。

2 改進措施

圖2 高速軸定位卡簧槽損壞

通過分析和實地觀察測量，得出減速箱高速軸軸向竄動原因為高速軸定位卡簧槽強度不足、損壞變形所致。可以有以下兩種改進方案。

方案1：增加卡簧槽的尺寸以增大強度。

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，通過增大寬度和深度來增大擋圈槽的強度，以滿足承受頻繁沖擊載荷的工況。這樣可以解決軸向竄動的問題，但此方案需將減速箱逐臺返廠解體以加工擋圈槽，工程量巨大，停機時間較長，實現(xiàn)起來非常困難。

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，實現(xiàn)高速軸向左竄動的定位（圖3）。

圖3 改進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)場施工，工程量、維修費用和停機時間均大幅減小。但此方案需考慮一個問題，即減速箱高速軸兩端均有軸向約束，而減速箱運轉(zhuǎn)發(fā)熱后高速軸會受熱伸長，需預(yù)留適當(dāng)?shù)拈g隙量，防止軸承軸向載荷過大影響使用壽命。因此，需要對高速軸受熱伸長量進行計算。

減速箱內(nèi)高速軸的長度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，正常工作時減速箱溫升可達60～70 ℃，按溫升T=70 ℃計算，根據(jù)熱膨脹計算公式，高速軸的最大尺寸變化量δ=αLT=400×16×10-6×80=0.45 mm。考慮到減速箱運行有溫升時箱體同時也在膨脹，因此根據(jù)經(jīng)驗，最終確定安裝時預(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)場安裝時通過精確的測量，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

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