橋吊小車減速箱軸斷裂原因分析及改進
2012-12-05
作者：閔青松
（蛇口集裝箱碼頭有限公司）
關鍵詞：港口；牽引小車；減速箱；齒輪軸；疲勞斷裂；斷口
2008年7月至2011年4月期間，SCT二期橋吊共4臺牽引小車減速箱在正常工作中發(fā)生第300齒輪軸鍵槽根部徑向整體斷裂事故，造成各級傳動齒輪和軸承、箱體不同程度損傷。發(fā)生斷軸事故的4臺牽引小車減速箱平均運行時間為11120h。該橋吊于2003年投入生產(chǎn)，小車牽引機構減速箱為某進口品牌，作為世界頂級動力傳動設備制造商，各方面技術成熟，制造工藝應該是不存在問題，如果按“減速箱保養(yǎng)規(guī)范”進行保養(yǎng)維修，理論上的使用壽命至少可以達到15年～20年以上。但是展現(xiàn)在面前的兩臺減速箱在同一時間段、同一根軸和同一位置發(fā)生斷裂，不得不讓人深思，去尋找問題的根源。本文通過對斷軸部位進行分析，找出斷裂的根本原因，對減速箱其中缺陷進行整改、修復，在確保橋吊安全的情況下提高生產(chǎn)力。
1 減速箱斷軸原因分析
1.1電機輸出扭矩現(xiàn)場監(jiān)測
該型橋吊使用ABB生產(chǎn)的三相交流異步電機，其主要參數(shù)為：V=500，Hz=60，P=320kW，r/min=1750，A=474。工作現(xiàn)場觀察電機驅動輸出扭矩實際狀況，發(fā)現(xiàn)在小車啟動時輸出扭矩Z大，尖蜂扭矩達到101.67％，（圖1）小車均速運行時輸出扭矩在20％～70％之間。
圖1 小車電機輸出扭矩示意圖
1.2斷口宏觀分析
齒輪軸斷口表面金屬平滑，有非常明顯的弧型花紋，Z終瞬斷區(qū)域的，放射狀花樣清晰可見，瞬間斷裂區(qū)的面積僅是軸的整個面積的五分之一左右，屬于典型的高周疲勞斷裂（見圖2）。斷口由疲勞裂源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)等三個區(qū)域組成。
圖2 齒輪軸斷面裂紋源區(qū)圖
齒輪軸在疲勞載荷作用下，其表面應力Z大，軸的中心部位應力Z小。疲勞源首先在表面形成，然后產(chǎn)生宏觀裂紋，同時該裂紋沿著于Z大正應力相垂直方向擴展，宏觀裂紋的兩側在交變載荷作用下，反復擠壓、分開，形成斷口的光滑區(qū)，到Z后瞬間斷裂。
仔細觀察斷口裂紋源區(qū)（見圖2），不難發(fā)現(xiàn)該軸Z早期初始疲勞源區(qū)在鍵槽的根部（圖2源區(qū)1），應力Z大區(qū)域產(chǎn)生疲勞源。在交變應力的繼續(xù)作用下，初始裂紋處的應力集中促使裂紋擴展，這時應力集中較大，軸的周邊部位產(chǎn)生新的裂紋源（圖2源區(qū)2）。兩端裂紋源同時快速朝著同一方向集中靠攏，當兩處裂紋源集中到一點時，齒輪軸承載面積不能承受牽引小車載荷沖擊，產(chǎn)生瞬間脆性疲勞斷裂。
2 用有限元分析軟件ALGOR對斷軸分析
2.1減速箱材質
減速箱 P=320kW，n1=1750/min，n2=66.89/min 第3級齒輪軸直徑為130 mm，軸材質為：17CrNiMo6，主要化學成分和力學性能：
表1 齒輪軸材質化學成份
表2 齒輪軸材質力學性能參數(shù)
2.2減速箱300軸圖紙（見圖3）
圖3 齒輪軸零件圖
2.3CAD軟件建模
根據(jù)減速箱300軸圖紙實際尺寸建立軸的三維模型，完全真實反映該軸外型特征，見圖4、5。
2.4單元類型選取和網(wǎng)格生成
該模型為典型的三維實體結構，需要采用實體單元模擬，ALGOR軟件提供了全自動的六面體、四面體以及混合網(wǎng)格的高度智能化的劃線功能，即使不進行任何控制，也可以生成非常復雜模型的高精度的網(wǎng)格，保證計算的高效性和高精度，見圖6。
ALGOR的自動網(wǎng)格生成器可以非常智能地生成以六面體為主的網(wǎng)格，只要設置細化級別就可以控制網(wǎng)格密度。
圖6 ALGOR軟件生成的300軸裝配網(wǎng)絡模型圖
2.5載荷、邊界條件的確定
為簡化模型計算量，大齒輪外表特征簡化，模型類型設定為線性靜力分析，即小車啟動的一瞬間的狀態(tài)，齒輪軸處于靜止狀態(tài)，軸端軸承為調心滾子軸承，故軸承支座可以認為是鉸支座，設邊界條件為鉸支座。
2.6線性靜力分析結果。
圖7為線彈性情況下得到的模型等效應力分布。從計算結果來看，Z大等效應力為549MPa，比較（見表2）所示的材料參數(shù)，模型的Z大等效應力小于該模型材料的屈服極限785MPa，說明屈服強度滿足要求。
2.7疲勞壽命分析
ALGOR軟件提供專用疲勞分析模塊，可以預測復雜多重交變載荷作用下結構的疲勞壽命，同時可以提供直觀的向導功能，來完成疲勞分析。
圖7 300軸軟件線性靜力分析結果圖
2.7.1疲勞分析方法的確定
常用的疲勞分析方法有兩種，即應力壽命法和應變壽命法。應力壽命法基于S-N曲線（應力-循環(huán)曲線，應力幅值對應的疲勞循環(huán)次數(shù)），假定應力處于彈性范圍內，適用于疲勞循環(huán)次數(shù)10000次以上，尤其是100000次以上的情況。應變壽命法基于E-N曲線（應變-循環(huán)曲線，類似于S-N曲線），可以考慮材料的塑性變形，對于可能引起局部屈服的循環(huán)載荷作用下的疲勞計算精度更高。
由于該模型線性計算結果的等效應力為549MPa，小于材料的屈服極限785MPa，應力處于彈性范圍內，因此采用應力壽命法進行分析，設計循環(huán)次數(shù)為1000000次。
2.7.2S-N曲線的確定。
應力壽命法需要知道材料的S-N曲線，fatigue wizard能夠根據(jù)輸入的材料性能和材料類型確定一條S-N曲線，材料性能參數(shù)包括彈性模量、抗拉強度、磨光疲勞極限、極限循環(huán)次數(shù)，材料類型為鋼材，見圖8。
圖8 300軸材料的S-N曲線圖
3.7.3載荷曲線確定
在實際工作中小車運行真實情況啟動、停止線性狀況，所以分析過程中采用正弦載荷曲線，見圖9。
圖9 正弦載荷曲線圖
2.7.4疲勞極限修正因子的確定
S-N曲線通常來自于對標準的磨光試件進行的疲勞試驗。將這種試驗數(shù)據(jù)應用于實際的工作環(huán)境時需要進行一定的修正。這種修正通過在試驗疲勞極限上施加修正因子實現(xiàn)，由于齒輪軸為加工件，所以修正因子為0.56。
2.7.5疲勞壽命分析結果
疲勞壽命分析結果在fatigue wizard處理環(huán)境中查看到計算結果的多色顯示圖和交通燈圖。交通燈圖中的紅色代表破壞，黃色代表臨界區(qū)域，綠色代表安全區(qū)域。
fatigue wizard預測的該軸疲勞破壞周期為3670～2560000次，按照斷軸減速箱平均使用壽命11120h。每小時吊箱30個，每吊一個箱小車啟動和停止6次計算，減速箱疲勞破壞周期為2001600次，說明以上計算是精確的。
3 減速箱軸斷裂改進方法及意見
由以上數(shù)據(jù)分析：減速箱軸由于日積月累疲勞導致斷裂，應力集中是造成減速箱軸斷裂的主要原因，主要還是軸的疲勞強度（構件抵抗破壞的能力）和穩(wěn)定性（構件保持原有平衡形式的能力）的問題。當然也可能由于平常的作業(yè)人員吊箱的過程中需要反復使用啟動、停止，小車負載后的沖擊力，造成應力集中使齒輪軸疲勞斷裂。
Z關鍵點還是在于軸的承受能力上。建議對減速箱現(xiàn)有的300齒輪軸，由實心軸改造為加強型實心軸。提高其強度和穩(wěn)定性，這樣可以達到想要的結果，增長其使用壽命。雖然會增加減速箱的維修成本，但是從長遠利益上考慮能較大提高減速箱的安全性能和公司生產(chǎn)效益。
參考文獻
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