港口大型门座起重机回转支承故障机理分析

    高雨

    

    摘 要：本文主要针对港口大型门座起重机三排滚柱式回转支承装置的大齿圈断齿机理进行分析，通过总结引起其断齿故障的各类因素，提出对应的减少断齿故障发生几率的措施以及回转支承结构的设备管理对策，以期为提高回转支承使用寿命和门座起重机回转工作的安全性提供一定的参考依据。

    关键词：码头 门座起重机 工作特征 机理分析

    现代港口码头中，大型门座起重机在装卸作业中起到了重要的作用，它是港口码头数量最多和使用最多的机型，相对于其他起重机械而言，其机构最多，结构复杂，是港口码头最典型的电动装卸机械。同时它具有较好的工作性能和独特的优越结构，通用性好，因此被广泛地应用于港口杂货码头。作为港口门座起重机关键结构之一的回转支承装置，其重要性和安全性不言而喻。因此，为减少港口门座起重机回转支承故障的发生，做好其选型、安装、使用和维护工作，对提高回转支承的使用寿命及起重机整机的稳定性，具有重要的工程实际意义。

    港口门座起重机回转支承结构工作原理及工作特征

    回转轴承是标准化、系列化的产品，种类多样、规格齐全，并且有多种安装方式，图1是回转支承模型。以滚道直径为主参数，随着轴承尺寸的增大，承载能力逐级增大。此外，在同一尺寸规格下还有不同的轴承类型可供选择，以满足起重机械对承载能力、轴向尺寸等的不同要求。按照滚动体的类型和排列方式，主要可分为四种类型：单排交叉滚柱式、单排四点接触球式、双排球式、三排滚柱式。因为港口门座起重机在工作时承受着较大载荷，且工作级别较高，因此对于回转支承也有着特别的要求。根据港口起重机回转支承的受力特点，三排滚柱式回转支承的构造特别适合港口起重机的使用要求。三排滚柱式回转支承是一种受力形式较为简单的结构，它由上、中、下三排滚柱和内外三个滚圈组成，上、中、下三排滚柱根据受力大小做成不同的直径，各自承受单一方向的外力，同时可以组合承受轴向力、径向力和倾覆力矩，外滚圈外部为大齿圈，主要承受径向载荷，内滚圈分为上下两排，主要承受轴向载荷。在典型的港口门座起重机中，三排滚柱式回转支承内圈固定在转台底部，外圈固定在圆筒门架上部，其轴向与径向尺寸都较大，通过不同的滚动体分别传递不同载荷，且滚动体的外形尺寸、位置放置与传递载荷的大小和方向相一致，同时滚动体与滚圈又是通过线接触传力，因此承载能力大，对冲击和动载荷的抵抗能力强，是四种回转轴承类型中承载能力最大的一种，且结构牢固，因此适用于港口门座起重机。

    图1 回转支承模型

    1.螺栓孔；2.回转支承内圈；3.回转支承外圈；4.轮齿

    门座起重机的回转部分安装在上支座上，回转支承中的大齿圈采用螺栓连接固定安装在门座起重机的下支座上，工作过程中不发生转动，回转机构的回转功能主要通过驱动齿轮与大齿圈的啮合传动来实现。起重机进行回转作业时，回转机构的驱动力传递路径为：回转电机--联轴器--减速机--回转小齿轮--回转支承大齿圈。回转电机输出的动力通过联轴器传递给回转减速机，驱动减速机运行，位于减速机输出端的回转小齿轮与回转支承大齿圈装配成齿轮副进行传动。当回转机构的驱动力传至驱动小齿轮上时，驱动小齿轮就绕着回转支承大齿圈开始转动，从而将驱动力传送至回转支承。这时，被高强度螺栓固定的大齿圈并不能因为齿轮的啮合而做回转运动，因此，回转小齿轮就会带动门座起重机上回转支座的支承内圈绕大齿圈做行星式旋转，从而利用整个回转支承结构使起重机上部回转结构与下部固定结构之间实现360°的相对回转运动。

    港口门座起重机回转支承大齿圈断齿机理分析

    在回转支承的传动运动中，大齿圈与回转电机驱动的小齿轮相互啮合，传递相应的动力和扭矩。与普通齿轮啮合相比，这种啮合传递更大的力和力矩，使回转机构在突然启动或突然制动时产生更大的冲击载荷。由于门机上部机体重达几十吨甚至上百吨，其回转惯性比较大，在作业时，频繁的回转、制动、起吊、下降等操作易使上部机体产生回摆和冲击运动，复杂的载荷情况造成了齿圈轮齿应力的频繁变化，易造成轮齿断裂失效，同时，由于齿圈设计参数不合理、加工不当等因素，也会引起其在后期的工作中发生断裂。

    在引起回转支承大齿圈断齿因素的内因方面，主要有齿圈设计参数不合理、齿圈的加工精度低、热处理工艺不当、初始疲劳裂纹引起断齿、齿根抗弯曲强度降低、轴承支承刚度不够等因素。在齿圈设计选用时若模数偏小，就会使齿根部分产生的弯曲应力较大，安全系数处于临界值，以使其弯曲断裂；齿圈在制造过程中产生的齿圈偏心、齿距偏差和齿形误差等，都可能对轮齿啮合产生影响，由于啮合不良，会使轮齿受力不均而引起断齿；在回转支承齿圈热处理加工时，若处理方式不当，使齿圈存在硬度较大、残余应力、晶粒度等级未达标等其他问题，其基体组织的性能没有达到规定要求，因此在齿圈的后期作业过程中，可能产生轮齿的折断现象；若轮齿存在初始裂纹，则在后期的回转作业中，很容易由裂纹扩展而使轮齿断裂；轮齿经过多次啮合后齿厚变薄，弯曲强度降低，易在冲击载荷的作用下引起断齿；另外，回转支承处于整机结构刚度较为薄弱之处，如果上下连接支承的刚度不够，则容易使回转支承发生变形，对大齿圈造成额外挤压，加剧其轮齿断裂速度。

    在引起回转支承大齿圈轮齿断裂的外因上，主要包括齿侧间隙过小、过载及偏载影响、弯曲疲劳引起断齿、回转制动冲击、振动影响、齿轮齿圈轴线平行度超出允许范围等。齿侧间隙过小时，起重机在吊装作业过程中会由于偏载的存在，而使大齿圈轮齿会受到与之啮合的小齿轮对其施加的径向挤压力，久而久之引起轮齿断裂；由于回转支承位于起重机中间部位，本来就承受较大的载荷，若多次发生偏载和超载情况，则更容易引起断齿；在回转制动过程中，若操作人员突然打反车，使制动力矩过大，会对大齿圈轮齿产生很大的冲击影响；齿轮传动过程中，原动机、轴承座、轴承和负载等外部激励，以及齿圈啮合处的内部激励，都会引起回转支承的振动，从而对其轮齿产生影响，若振动较剧烈，则可能引起轮齿断裂；如果小齿轮轴线与回转支承大齿圈轴线严重不平行，会造成二者轮齿的不正常啮合，导致回转支承大齿圈与小齿轮之间的有效啮合区域大幅度减小，使回转支承齿圈局部受力，易发生轮齿折断问题。

    位于回转支承外圈的大齿圈，一旦发生折断情况，更换大齿圈的操作难度将很大，在更换作业时，必须将门座起重机回转平台的上部机构以及臂架系统从回转平台处全部拆开，工程量较大，对其它零部件也容易产生一定的影响。因此，积极预防断齿情况和减少断齿几率，是很有必要的。

    减小回转支承齿圈断齿几率的措施

    根据港口门座起重机回转支承的运动特征及产生断齿故障的各类原因，可采取相应的优化措施，以减少回转支承齿圈断齿故障。在回转支承齿圈的设计制造方面，应选择合理的齿圈材料，适当增大齿圈模数和安全系数，同时设计合理的齿根过渡圆角半径，以增加其抗弯曲能力；在齿圈的加工过程中，要尽量提高其加工精度，以保证其良好的啮合，同时可采用单齿淬火的热处理工艺，提高其轮齿的承载能力；在回转支承结构的优化方面，可通过合理调整齿轮啮合的齿侧间隙、提高回转支承的连接刚度和安装精度来减少大齿圈轮齿受到的偏载和挤压影响；另外，可通过添加阻尼元件来减少回转支承在制动时对轮齿产生的冲击影响，同时应限制超载情况的运作，以降低外部载荷对回转支承的影响；最后，要做好回转支承结构的维护保养工作，及时清理回转支承内聚集的杂物，及时对其进行润滑并定期更换润滑脂或润滑油，定期对其回转平稳度进行检查。

    （作者单位：莆田港务集团有限公司）