門座起重機變幅機構改造

李 祥

張家港港務集團港盛分公司

1 引言

張家港港務集團港盛分公司9#泊位散貨專用碼頭配置了4臺16 t帶斗門座起重機(以下簡稱帶斗門機)，其中1#、2#帶斗門機為上海港機廠1991年出廠，變幅機構采用螺桿、螺母驅動。

2臺門機變幅機構螺桿、螺母采用的是稀油系統潤滑，保養時發現濾芯上銅屑、油泥較多，減速箱尾部殼體內有斷裂的圓形墊片，運行時振動、異響較大。為掌握螺桿、螺母磨損狀況，利用卡尺、塞尺定期對螺桿螺牙寬度、螺桿螺母側隙進行測量監測，監測數據顯示螺桿螺牙寬度磨損量在0.3～0.5 mm之間，螺桿螺母側隙在3.5～4.6 mm之間(標準側隙為1.2 mm)。可初步判斷螺桿磨損基本正常，螺母磨損量偏大需要修復[1]。

2 改造方案選擇

恢復變幅機構性能有兩種方案：一是保留現有螺桿螺母驅動方式，加工新的螺母并更換；二是將原螺桿螺母驅動更換為齒輪齒條驅動。兩種方案的優缺點對比見表1。

表1 變幅機構性能恢復方案對比

由表1可知，采用更換螺母方式修復雖然費用低，但施工周期長、施工難度大、改造風險大，故未予采納。因此，1#、2#門機變幅機構改造方案確定為將現有螺桿螺母驅動更換成齒輪齒條驅動，先對螺桿、螺母側隙較大的2#門機進行改造。

3 變幅機構方案設計

門座起重機屬國家特種設備目錄行列，變幅機構改造前后的工作級別、運行參數必須保持不變。齒輪齒條式變幅機構被廣泛使用，該類型驅動機構中的齒條、驅動開式齒、減速箱、制動器及聯軸器基本實現模塊化設計。因此，機構主要零部件參數選擇及施工方案確定成為改造的關鍵。

3.1 主要零部件參數選擇

改造前采用的是螺桿、螺母驅動，由于螺桿螺母傳動效率低，因此配備的電機驅動功率普遍偏高。為減小改造費用，原變幅機構直流變頻電機及控制系統留用，變幅減速箱、開式齒輪、齒條、聯軸器等需部件重新設計選型。

齒輪齒條式變幅機構的承載能力主要由齒板或開式齒的輪齒厚度和寬度決定，輪齒的厚度越大、寬度越寬，承載力越大。輪齒的厚度對應的設計參數為模數m，模數越大，輪齒越厚。從公司同類變幅機構齒條參數和互換性角度兩方面考慮，選定該變幅機構齒條輪齒模數m=22、寬度D=280 mm。在變幅驅動電機不變、開式齒輪模數及齒數(設定Z=13)確定后，減速箱速比基本確定，變幅機構主要參數見表2。

表2 變幅機構主要參數

3.2 改造方案可行性驗證

改造門機由于設計久遠，門機所有圖紙均為手工繪制，為準確判斷改造方案可行性，利用三維設計技術對改造周邊結構件及施工方案零部件進行建模(見圖1)，對其進行空間布局、運動干涉、檢修空間檢查。

圖1 變幅機構改造方案裝配模型

通過三維模型的空間布局、運動干涉、檢修空間檢查，發現方案中變幅幅度最小時，齒條尾部與平衡梁配重箱有干涉(見圖2)。通過改變設計參數，分別將驅動機構向下、向配重方向調整。當驅動機構向配重方向調整時，齒條尾部下降緩慢，依然干涉；驅動機構向下調整，齒條尾部運動方向由原方案的收幅上升改變為收幅下降。因此采納驅動機構下降方案，驅動機構下降200 mm后齒條尾部與配重箱箱體最小距離為230 mm，滿足港機設計標準中安全距離要求。

圖2 模型干涉圖

螺桿螺母驅動和齒輪齒條驅動是兩種完全不同的驅動方式，螺桿螺母減速箱采用旋轉鉸與變幅平臺鉸接，齒輪齒條驅動的搖架、減速箱、電機及制動器均需動力座與平臺焊接。在原平臺上構建動力座，現場施工范圍大，嚴重影響現場生產，因此采取驅動平臺整體更換的方案。

3.3 改造前后受力分析

改造前螺桿螺母減速箱鉸接點設置在立柱上段后沿，驅動牽引力在螺桿中心線上，改造后為確保齒條箱與配重箱無干涉，搖架輸入驅動齒中心在原基礎上下降了130 mm，同時向臂架拎點水平移動了750 mm。改造前后驅動機構主要受力點發生了較大變化，因此利用運動學、動力學軟件對機構改造前后變化進行了仿真分析[2-3]。

在象鼻梁頭部處負荷為16 t，螺桿或齒條以額定速度向外增幅的工況下，對兩種機構變幅時的速度、加速度和變幅力進行仿真分析和對比。

通過變幅速度和加速度仿真可得，變幅螺桿或齒條在勻速向外伸的過程中，變幅速度不斷減小，幅度越大、速度越慢(見圖3)。螺桿螺母機構在變幅最小時有激烈的加速沖擊，隨幅度不斷增加，加速沖擊明顯減小。相比而言齒輪齒條式運行平穩(見圖4)。

圖3 螺桿螺母機構變幅速度、加速度曲線

圖4 齒輪齒條機構變幅速度、加速度曲線

通過變幅力仿真分析可得，螺桿屬細長桿，抗拉不耐壓，因此原設計方案中螺桿在整個增幅過程中為受拉桿，最大拉力接近60 kN。相比而言齒輪齒條最大拉力為40 kN左右，明顯偏小。齒輪齒條式變幅拉力呈正弦曲線變化，幅度在11.7 m和26.5 m處存在拉力變化拐點，拐點變化平穩，不會對機構產生較大沖擊(見圖5、6)。

圖5 螺桿螺母機構變幅力曲線

圖6 齒輪齒條機構變幅力曲線

綜上所述，改造后齒條受力明顯減小、變幅過程中始終受拉力，不會產生明顯沖擊，改造后驅動機構能滿足使用要求。

4 現場施工及實施效果

現場施工主要有原驅動機構拆除、新平臺安裝和驅動機構排裝3個主要環節，3個環節均有不同的施工工藝要求。

在拆除原驅動機構時，螺桿螺母驅動整體較長，為確保減速箱及螺桿能從平臺中吊出，門機停放位置選擇在中間幅度。臂架系統、平衡梁與立柱采用剛性固定，螺桿收到最小幅度位置時，整體重心在減速箱旋轉鉸點前后，吊裝采用相鄰門機從平衡梁內、外側換鉤進行(2次掛鉤)。

舊平臺拆裝前原驅動機構減速箱鉸接點橫向、縱向中心移到立柱上，作為新平臺的定位基準，新驅動平臺焊接固定前用經緯儀調平整度。

新驅動機構安裝采用二次排裝法。一次排裝時，先將搖架支座按劃線標記焊接到驅動平臺上，減速箱、電機底座按劃線標記排裝到位并與平臺焊接；所有底座焊接后進行二次排裝，借助百分表分步調整減速箱高、低速端齒型聯軸器同心度。由于減速箱、電機底座與搖架底座設計時預留3 mm高差，二次排裝時需要利用銅片填塞來調整減速箱低速軸、高速軸齒形聯軸器垂直方向同心度，調整按搖架低速軸到減速箱輸出軸、減速箱輸入軸到電機輸出軸的順序進行。

經近2個月的使用觀察，改造后變幅機構運行平穩，有效降低了突發性故障停機風險的同時設備性能得到明顯提升。

5 結語

通過利用機械三維參數化設計，解決變幅齒條與配重箱干涉、機構空間布局優化等問題，利用運動學、動力學仿真數據校核機構，有效提高改造精準度并縮短現場施工周期，可為類似設備的改造提供借鑒。