段忠東,秦輝敏

(1.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司,上海200125;2.上海米開羅那機(jī)電技術(shù)有限公司,上海201315)

自20世紀(jì)70年代,全世界的岸橋從無到有,目前全世界岸橋數(shù)量有3 000多臺(tái)。岸橋數(shù)量的增長,并不能表示技術(shù)的同步跟進(jìn)。行業(yè)發(fā)展的背后,有著許多設(shè)備上的技術(shù)問題,并在隨后的時(shí)間里陸續(xù)暴露出來。在多個(gè)碼頭的設(shè)備上,出現(xiàn)了小車減速箱軸承外圈跟轉(zhuǎn)及異常噪音的問題。減速箱軸承外圈跟轉(zhuǎn),會(huì)磨損軸承外圈和軸孔,引起軸承的過期失效。但軸承外圈跟轉(zhuǎn)的問題,并沒有在起升、俯仰機(jī)構(gòu)上發(fā)現(xiàn)。盡管國內(nèi)外對軸承配合及軸向預(yù)緊力的研究已有很多,但對岸橋這種獨(dú)特的設(shè)備,仍然需要從各機(jī)構(gòu)功能、受力情況等加以對比,分析問題產(chǎn)生的原因和解決辦法。

1 機(jī)構(gòu)的工況

起升機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)和小車機(jī)構(gòu)是集裝箱起重機(jī)的三大主要機(jī)構(gòu)。它們的組成基本相同,包括電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、減速箱、鋼絲繩卷筒和鋼絲繩纏繞系統(tǒng),其工況如下:

(1)俯仰機(jī)構(gòu):非工作狀態(tài)時(shí),將前大梁揚(yáng)起到接近垂直位子,避免與航道里行駛的船只干涉。工作時(shí),將前大梁放至水平,將前后大梁/軌道連接起來,以便主小車在海陸之間的運(yùn)行。

(2)主起升機(jī)構(gòu):實(shí)現(xiàn)抓箱、落箱和集裝箱上升下降的一系列復(fù)雜作業(yè)過程。

(3)小車機(jī)構(gòu):實(shí)現(xiàn)將集裝箱從海側(cè)到陸側(cè),或從陸側(cè)到海側(cè)之間的運(yùn)行,是集裝箱作業(yè)的主要機(jī)構(gòu)之一。圖1為典型主小車驅(qū)動(dòng)裝置。

圖1 主小車驅(qū)動(dòng)裝置Fig.1 Main trolley drive device

2 減速箱受力分析與小車減速箱軸承外圈跟轉(zhuǎn)的關(guān)系

2.1 受力分析

根據(jù)以上各機(jī)構(gòu)功能的敘述,以及機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),可以得知:

(1)俯仰受力:俯仰在揚(yáng)起時(shí),鋼絲繩受大梁的重力,鋼絲繩拉力向卷筒方向;俯仰下降時(shí),鋼絲繩仍然受大梁的重力,鋼絲繩拉力仍然向卷筒方向。這個(gè)力通過鋼絲繩傳到鋼絲繩卷筒,然后作用到減速箱輸出軸上,受力方向始終不變(見圖2)。

圖2 俯仰機(jī)構(gòu)Fig.2 Boom hoist mechanism

(2)主起升受力:同樣的道理,主起升在上升時(shí),鋼絲繩受集裝箱或吊具的重力,方向向下;下降時(shí),鋼絲繩仍然受向下的重力。這個(gè)力通過鋼絲繩傳到鋼絲繩卷筒,然后作用到減速箱輸出軸上,受力方向始終是一個(gè)方向(見圖3)。

圖3 起升機(jī)構(gòu)Fig.3 Main hoist mechanism

(3)小車受力:無論是自行式的還是牽引式的小車,當(dāng)小車向前運(yùn)行時(shí),小車需要一個(gè)向前的牽引力;當(dāng)小車向后運(yùn)行時(shí),小車需要一個(gè)向后的牽引力,因此這個(gè)力的方向是變化的,是通過小車驅(qū)動(dòng)裝置改變驅(qū)動(dòng)方向?qū)崿F(xiàn)的。當(dāng)小車運(yùn)行中前后點(diǎn)動(dòng),或因小車與集裝箱不同步產(chǎn)生的前后慣性時(shí),這個(gè)力的方向變化還會(huì)更頻繁(見圖4)。

俯仰和主起升的受力情況基本相同,受力方向始終是一個(gè)方向,而小車受力方向是頻繁變化的。

2.2 小車減速箱軸承外圈跟轉(zhuǎn)

根據(jù)現(xiàn)象看,很明顯外圈與支座孔的配合公差出現(xiàn)了問題。外圈的跟轉(zhuǎn)顯然與支座孔公差過大有關(guān)。另外,還與減速箱的受力情況有關(guān)。減速箱受力方向直接影響著公差配合的選用。

圖4 主小車機(jī)構(gòu)Fig.4 Main trolley mechanism

3 小車減速箱軸承公差選取

軸承的公差選取非常重要,與載荷類型工況有關(guān),另外,公差選擇是否合適還影響溫差膨脹和軸承游隙。

3.1 軸承外孔公差的選擇

以巴拿馬某碼頭上的橋吊小車減速箱為例,使用的是相同系列不同規(guī)格的SKF雙列球面滾子軸承,浮動(dòng)式的軸承配置,交叉定位方式。球面滾子軸承是向心軸承的一種。該減速箱的公差選擇為H7(見圖5)。這個(gè)公差顯然是間隙配合[1]。

圖5 小車減速箱Fig.5 Trolley gearbox

對于公差的選用,一般的工程技術(shù)手冊上均有介紹,大同小異。安裝向心軸承外殼孔公差帶見表1[2].

由此看出,按照表1給出的信息,公差選擇為H7是有據(jù)可依的。

3.2 外孔徑公差分析

(1)軸承承受載荷。根據(jù)有關(guān)載荷的概念,軸承載荷分固定載荷、回轉(zhuǎn)載荷和擺動(dòng)載荷。從工況看,俯仰和起升減速箱軸承承受的主要是固定載荷,而小車減速箱承受的載荷為擺動(dòng)載荷,因此,公差的選擇也一定有差異。

表1 向心軸承外殼孔公差帶Tab.1 Tolerance range of radial bearings hole

(2)軸承供應(yīng)商的推薦公差。SKF對于不定負(fù)荷(即擺動(dòng)載荷)的定義是“一些變化的外力、沖擊負(fù)荷、以及高速機(jī)械中振動(dòng)和不平衡產(chǎn)生的負(fù)荷”。公差選取原則為[3]:當(dāng)負(fù)荷的方向無法確定,特別是負(fù)荷較重的情況下,最好是兩軸承都采用過盈配合。對于內(nèi)圈,一般可以采用推薦在旋轉(zhuǎn)負(fù)荷的公差配合。

3.3 軸承的溫差膨脹

材料的線膨脹計(jì)算公式為:線性膨脹u=Γ*L(T-T0)

其中,Γ為線性膨脹系數(shù),單位mm/mm.℃

L是特征長度。T為工作溫度,T0為安裝溫度(室溫)

滾動(dòng)軸承一般用高碳鉻軸承鋼制造,其線性膨脹系數(shù)為12.5×10-6,減速箱箱體材料Q235的膨脹系數(shù)是8.5×10-6。對于軸承外徑而言,其材料不相同引起的軸承與外圈間的徑向過盈量變化值為:

岸橋減速箱的溫度是根據(jù)油承受的溫度確認(rèn)的,最高為80℃,室溫按照25 ℃,則△I=(12.5-8.5)×10-6Dh(80-25)=0.000 220 Dh,就是說 ,溫差會(huì)引起過盈量增加。則三個(gè)孔的過盈變化值分別為:240*0.000 22=0.050 mm,250*0.000 22=0.055 mm,310*0.000 22=0.068 mm.這三個(gè)值表示孔的膨脹大于軸承外圈的膨脹。因此,熱膨脹只會(huì)減少過盈量,并且不會(huì)對軸承產(chǎn)生不利影響。

3.4 外徑孔公差的選取

間隙配合的軸承圈在旋轉(zhuǎn)負(fù)荷下,可能會(huì)與其配合面產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)(蠕動(dòng)或漂移),并導(dǎo)致接觸表面磨損(摩擦腐蝕),因此承受擺動(dòng)負(fù)荷的軸承圈,必須采用過盈配合。

根據(jù)上面的受力分析,軸承外圈的公差應(yīng)采用較小過渡或過盈配合更為妥當(dāng)。因此公差H7對于主起升和俯仰減速箱是合適的,但對于小車是不合適的,應(yīng)該采用較小的配合公差。對于小車減速箱,根據(jù)推薦的配合,以及外殼孔一般采取IT7級(jí),則公差選K7或M7的過渡配合,甚至N7或P7的過盈配合較合適(參見圖6)。

3.5 外圈軸向預(yù)緊力的選取

對于橋吊減速箱的檢查知道,軸承在軸向上外圈與端蓋間是有間隙的,為0.15 mm ～0.2 mm,是為了防止熱膨脹對軸承的影響。這個(gè)間隙,與噪音和軸承外圈跟轉(zhuǎn)有關(guān)。

對于外圈與端蓋的間隙,其實(shí)每位工程師有著不同的解讀。根據(jù)研究,軸承圈與端蓋或內(nèi)圈與隔圈是要有個(gè)很好的配合的,不是預(yù)留間隙的問題,而是施加預(yù)緊力減少軸向位移的問題。這個(gè)預(yù)緊力不僅與熱膨脹有關(guān),還與軸承游隙有關(guān)。正確的預(yù)緊力要通過計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)予以確定調(diào)整,也就是計(jì)算系數(shù)的確定。但實(shí)際的計(jì)算相對復(fù)雜。SKF公司提供了一個(gè)預(yù)緊力估算公式F=KD,其中K為系數(shù),D為軸承內(nèi)徑。K值在0.005～0.01之間。預(yù)緊力與游隙成反比。但預(yù)緊力超過一定值時(shí),軸承壽命會(huì)急劇下降[4-5]。

因此在選取配合時(shí),既要考慮熱膨脹和軸承本身游隙,也要考慮適當(dāng)?shù)念A(yù)緊,使運(yùn)行中的內(nèi)外圈軸向錯(cuò)動(dòng)盡可能小。預(yù)緊力的調(diào)整有定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊力兩種方式[6]。通過調(diào)整端蓋進(jìn)入軸承孔的長度,或增減端蓋與箱體間墊片來實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)定位預(yù)緊,是比較方便和常用的方式。

4 結(jié)論

岸橋各機(jī)構(gòu)的減速箱設(shè)計(jì)除了大量的載荷計(jì)算外,軸承與孔/軸的配合公差的選取,以及軸向位移和預(yù)緊力也非常重要。

(1)徑向公差的選取,不僅要考慮具體工況,還要分析其受力的大小和方向;

(2)軸向位移,需要對預(yù)緊力進(jìn)行計(jì)算或估算。

(3)岸橋小車減速箱,因受力大小和方向與起升和俯仰兩機(jī)構(gòu)有所不同,是擺動(dòng)載荷。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮,否則,軸承外圈跟轉(zhuǎn)的問題就不能避免。

[1]卜炎.實(shí)用軸承技術(shù)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[2]吳宗澤.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[3]HARRIS T A,KOTZALAS M N.滾動(dòng)軸承分析[M].羅繼偉,馬偉,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[4]孫開元,馮曉梅.公差與配合速查手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[5]李為民,王海濤.軸向定位預(yù)緊軸承剛度計(jì)算[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001(2):15-19.

[6]黃娟.虛擬裝配中面向軸承預(yù)緊力的尺寸公差設(shè)計(jì)分析[C]//第四次江蘇科技論壇機(jī)械裝備制造分論壇論文匯編.南京:江蘇省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì),2003:67-71.