作者：閔青鬆
（蛇口集（jí）裝箱碼頭有限公司）

　　摘  要：小車減速箱是橋吊牽引機構的重要組成部份，保證減速箱在工（gōng）作（zuò）中的正常運行，對提高（gāo）橋吊的工作效率和安（ān）全性能有著（zhe）重要意義（yì）。對齒（chǐ）輪軸斷口進（jìn）行宏觀分析，結合有限元和材料力學等方麵，深入地分析減速箱齒（chǐ）輪軸斷裂原因，同時提出合理化的處理（lǐ）方案和改進措施。
　　關鍵詞（cí）：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台牽引小車減速箱在正常工作（zuò）中發生第300齒輪軸鍵（jiàn）槽根部徑向整體斷裂事故，造成各級傳動（dòng）齒（chǐ）輪和（hé）軸承（chéng）、箱體（tǐ）不同程（chéng）度損傷。發生斷軸事故的4台牽引小車減速箱平均運（yùn）行時間為11120h。該橋吊於2003年（nián）投入生產，小車（chē）牽引機構減（jiǎn）速箱為某進口品牌，作為世界頂級動力（lì）傳動設備製造商（shāng），各方麵技術成熟，製造（zào）工藝應該是不存在問題，如果按“減速箱保養規範”進行（háng）保養維修，理論（lùn）上的使用壽命至少可以達到15年～20年以上（shàng）。但是展現在麵前的兩台減速箱在同一時間段、同一根軸和同一位置發生斷裂，不得不讓人深思，去尋（xún）找問題的根（gēn）源。本文通過對斷軸（zhóu）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、修複，在確保橋吊安全的情況下（xià）提高生產力。
　　1　減速箱斷軸原因分析
　　1.1電機輸出扭矩現場監測
　　該型橋吊使用ABB生產（chǎn）的三相交流異步電機，其主要參數為：V=500，Hz=60，P=320kW，r/min=1750，A=474。工作現場觀察電機驅動輸出扭矩實際狀況，發現在小車啟動時輸出扭矩Z大，尖蜂扭矩（jǔ）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（diàn）機輸出扭矩示意圖

　　1.2斷口宏觀（guān）分析
　　齒輪軸斷口表麵金屬平滑，有非常（cháng）明顯的弧型花紋，Z終瞬斷區域（yù）的，放射狀花樣清晰（xī）可見，瞬間斷裂區的麵積僅是軸的整個麵（miàn）積的五（wǔ）分之一左右，屬於典型的高周疲勞斷裂（見圖2）。斷口由疲勞裂源區、裂紋擴（kuò）展區和瞬間斷裂區等（děng）三個（gè）區域組成。

圖2  齒輪軸斷麵裂紋源區圖

　　齒輪軸在疲勞載荷作（zuò）用（yòng）下，其表麵應力Z大，軸的中（zhōng）心部位應力Z小。疲勞源首先在表麵形成，然後產生宏觀裂紋，同時該裂紋沿著於Z大正應力相垂直方向擴展，宏觀裂紋的兩側在（zài）交變載（zǎi）荷作用下（xià），反複擠壓、分開，形成斷口（kǒu）的光滑區，到Z後瞬間斷裂。
　　仔細觀察斷口裂紋源區（見圖2），不難發現該軸Z早期初始（shǐ）疲勞（láo）源區在鍵槽的（de）根部（圖2源區1），應力Z大區域產（chǎn）生疲勞源。在交變應力的繼續作用下，初始裂紋處（chù）的應力集中促使裂紋擴（kuò）展，這時應力集中較大，軸的周邊部位產生新的裂紋源（圖2源區（qū）2）。兩端裂紋源同時快速朝著同一方（fāng）向集中靠攏，當兩處裂紋源（yuán）集中到一點時（shí），齒輪（lún）軸承載麵積不能承受牽引（yǐn）小車載（zǎi）荷衝（chōng）擊，產生瞬間脆性疲勞（láo）斷裂。
　　2　用有（yǒu）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（dì）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（néng）：

表1  齒輪軸材質化學成份

表2  齒輪軸材質力學性能參數

　　2.2減速箱300軸圖紙（見圖3）

圖3  齒輪（lún）軸零件圖

　　2.3CAD軟件建模
　　根據減速箱300軸圖紙實際（jì）尺寸建立（lì）軸的（de）三（sān）維模型，完全真實反映該軸外型特征，見圖4、5。

　　2.4單元類型選取和網格生成（chéng）
　　該模型為典型的三維實體結構，需要采用實體單（dān）元模擬，ALGOR軟件提供了全自動的六麵體、四麵體以及混合網格的高度智能化的劃線（xiàn）功（gōng）能，即使不進行（háng）任何控製，也可以生成非常複雜模型的高精度的網格，保證計算的高效性和高精度，見圖6。
　　ALGOR的自動網格生成器可以非常智能地生成以六麵體為主的網格，隻要設置細（xì）化級別就可以（yǐ）控製網格密度。

圖6  ALGOR軟件（jiàn）生成的300軸裝（zhuāng）配網絡模型圖

　　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（tè）征簡化，模型類型（xíng）設定為（wéi）線性靜力分析，即（jí）小車啟動（dòng）的一瞬（shùn）間的狀態，齒輪軸處於靜止狀態，軸端軸承為調（diào）心滾子軸承，故軸承（chéng）支座（zuò）可（kě）以認為是鉸支座，設（shè）邊界條件為鉸支座。
　　2.6線性靜力（lì）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（cóng）計算結果來看，Z大等效應力為549MPa，比較（見表2）所示（shì）的（de）材料（liào）參數，模型的Z大等效應力小於該模型材料的屈服極限785MPa，說明屈（qū）服（fú）強度滿（mǎn）足要求。
　　2.7疲勞壽命分析
　　ALGOR軟件提供專用疲勞分析模塊，可以預測複雜多重交變（biàn）載荷作用下結構的疲勞壽命，同（tóng）時可以提供直觀（guān）的向導功能，來完成疲勞分析。

圖7  300軸軟件線性靜力分析（xī）結果圖

　　2.7.1疲勞分析方法的確（què）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。應力壽命法基於S-N曲線（xiàn）（應力-循（xún）環曲線，應（yīng）力幅值對應的疲勞循環次數），假定（dìng）應力處於彈性範圍內，適（shì）用於疲勞（láo）循環次數（shù）10000次以上，尤其是100000次以上的情況。應變壽命法基於E-N曲線（應變（biàn）-循環曲線，類似於S-N曲線），可以考慮材料的塑性變形，對於可能引起（qǐ）局部屈服的循環載荷作用下的疲勞（láo）計（jì）算精度更高。
　　由於該模型（xíng）線性計算結果的等效應力為549MPa，小於材料的屈（qū）服（fú）極限785MPa，應力處於彈性範圍內，因此采用應（yīng）力壽命法進行（háng）分析，設計循環次數為（wéi）1000000次。
　　2.7.2S-N曲線的確定。
　　應力壽命（mìng）法需要知道材料的S-N曲線，fatigue wizard能夠根據輸入的材料性能和材（cái）料類型確定（dìng）一條S-N曲線，材料性能參（cān）數（shù）包括彈性模（mó）量、抗（kàng）拉強（qiáng）度、磨光疲勞極限、極限（xiàn）循環次數，材料類（lèi）型（xíng）為鋼材，見圖（tú）8。

圖8  300軸材料（liào）的S-N曲線圖

　　3.7.3載荷曲（qǔ）線確定（dìng）
　　在實際工（gōng）作中（zhōng）小車運行真實情（qíng）況啟動、停止線性狀況，所以分析（xī）過程（chéng）中（zhōng）采用正弦載荷曲線，見圖9。

圖9  正（zhèng）弦載荷曲線圖

　　2.7.4疲勞極限修正（zhèng）因子的確定
　　S-N曲線通（tōng）常來自於對標準的磨光試件進行的疲勞試驗。將這種試驗數據應用於實際的工作（zuò）環境時（shí）需要進行一定的修正。這種修（xiū）正通過在試驗疲勞極限上施加修（xiū）正因子實現，由於齒輪軸為（wéi）加工件，所以修正因子為0.56。
　　2.7.5疲勞壽命分析結果
　　疲（pí）勞壽命分析結果在fatigue wizard處理環境中查看到計算結果的多色顯示圖和（hé）交通燈圖（tú）。交通燈圖中的紅色代表（biǎo）破壞，黃色代表臨界區域，綠色代（dài）表安全區域。
　　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（xiǎo）時（shí）吊箱30個，每吊一（yī）個（gè）箱小車啟動和停（tíng）止6次計算，減（jiǎn）速箱疲（pí）勞破壞周期為2001600次，說明以上計算是精確的。
　　3　減速（sù）箱軸斷裂改進方法及意見
　　由以上數據分析：減速箱軸由（yóu）於日積月累疲勞導致斷裂，應力（lì）集中是造成減（jiǎn）速箱軸斷裂的主要原因，主要（yào）還是軸的疲勞強度（構件抵抗破壞的能力）和（hé）穩定性（構件保持原有平衡形式的能力）的問題。當然也可能由於平常的（de）作（zuò）業人員吊箱的過程中需要反複使用啟動、停止，小車負（fù）載後的（de）衝擊力，造成應力集中使齒輪軸疲勞斷裂。
　　Z關鍵點還（hái）是在於軸的承受能力上。建議對減速箱現有的300齒輪軸，由實心軸改造為加強型實心軸。提高其強度和穩定性，這樣可以達到想要的結（jié）果，增（zēng）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（jiào）大提高減速箱的安全（quán）性能和公司生產效益。
　　參考文獻
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