劉 磊,李德鋒,韋方平,阮一暉
(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院,江蘇常州 213000)
電梯在城市中的應(yīng)用越來(lái)越普及,隨著樓層的不斷增加,電梯的運(yùn)行速度越來(lái)越快,曳引機(jī)的功率也隨之不斷升高。近年來(lái),各種電梯沖頂事故時(shí)有發(fā)生,主要原因就是電梯曳引機(jī)的蝸輪失效,因此對(duì)曳引機(jī)減速箱的輪齒失效分析成為目前亟需要解決的問(wèn)題。
曳引機(jī)又被稱(chēng)為電梯驅(qū)動(dòng)主機(jī),是電梯的動(dòng)力來(lái)源。輸送與傳遞動(dòng)力使電梯正常運(yùn)行是電梯曳引機(jī)的主要功能。在電梯技術(shù)飛速發(fā)展的今天,曳引機(jī)一般分為有齒輪曳引機(jī)和無(wú)齒輪曳引機(jī),比較常見(jiàn)的是有齒輪曳引機(jī)。有齒輪電梯曳引機(jī)通常由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、減速箱、曳引輪、機(jī)架和導(dǎo)向輪及附屬緊急盤(pán)車(chē)裝置等部件組成[1]。有齒輪曳引機(jī)通常是利用減速箱將電動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸?shù)揭芬?,以?shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸和減速比要求。為了提高電梯運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性、減少運(yùn)行噪聲和減速箱體積,一般情況下使用蝸輪蝸桿減速箱。按蝸輪蝸桿的布置方式,通常又由可分為上置式和下置式。
文獻(xiàn)[2]指出:電梯減速箱出現(xiàn)下列情況之一,將視為達(dá)到報(bào)廢技術(shù)條件:
(1)蝸輪副、斜齒輪、行星齒輪出現(xiàn)影響安全運(yùn)行的輪齒塑性變形、折斷、裂紋、齒面點(diǎn)蝕、膠合或磨損等形式的嚴(yán)重失效;
(2)傳動(dòng)軸、軸承或鍵出現(xiàn)影響安全運(yùn)行的損壞;
(3)減速箱體出現(xiàn)裂紋;
(4)減速箱滲漏油不符合GB/T 24478-2019中4.2.3.8要求。
國(guó)內(nèi)已經(jīng)有不少學(xué)者對(duì)齒輪的失效分析做了研究,但是針對(duì)電梯曳引機(jī)蝸輪的失效分析還是少有涉及。歐陽(yáng)惠卿等[3]對(duì)比相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求,針對(duì)電梯用減速箱中齒輪、傳動(dòng)軸、箱體,分析其失效模式、機(jī)理和風(fēng)險(xiǎn),提出電梯用減速箱的報(bào)廢技術(shù)條件。劉興華[4]論述齒輪失效的各種形式,分析產(chǎn)生的原因,提出切實(shí)可行的解決方法。丁康和王延春[5]討論激振能量對(duì)輪齒失效和軸彎曲產(chǎn)生的振動(dòng)調(diào)制現(xiàn)象的影響,指出變速箱3種不同的調(diào)制現(xiàn)象:齒輪嚙合頻率調(diào)制、齒輪固有頻率調(diào)制和傳動(dòng)箱固有頻率調(diào)制產(chǎn)生的根本原因是激振對(duì)量的不同,同時(shí)提出相對(duì)應(yīng)的齒輪箱振動(dòng)故障診斷方法并將它們成功地運(yùn)用到輪齒失效和軸彎曲的工程實(shí)例中。陳忠和鄭時(shí)雄[6]簡(jiǎn)述齒輪箱傳統(tǒng)信號(hào)分析技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)?zāi)J椒纸?EMD)技術(shù)的異同,并詳細(xì)論述EMD的分解原理和富立葉變換的關(guān)系。通過(guò)應(yīng)用EMD分解技術(shù),將齒輪箱振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分解,得到IMF(Intrinsic Mode Function)模式分量,而后提出相應(yīng)的兩種失效參考指標(biāo),并且分別驗(yàn)證其在特定條件下的有效性和可操作性,為齒輪箱振動(dòng)的故障診斷提供參考方法。
在工業(yè)生產(chǎn)中齒輪及齒輪箱的失效和故障診斷已經(jīng)引起各方學(xué)者的關(guān)注。電梯屬于特種設(shè)備,與老百姓的日常生活息息相關(guān),尤其驅(qū)動(dòng)主機(jī)的異常振動(dòng)對(duì)電梯安全有重大影響[7],因此電梯曳引機(jī)減速箱的蝸輪蝸桿失效分析迫在眉梢。
在有齒輪曳引機(jī)的減速箱中,蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)變速箱是目前應(yīng)用最為普遍的。蝸桿通常選用45鋼或40Cr材料,一般為阿基米德螺旋蝸桿。蝸輪通常應(yīng)選用錫青銅或鋁青銅材料鑄造而成,但現(xiàn)在由于行業(yè)惡性競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致大幅度壓低生產(chǎn)成本,所以目前均大量采用高鋁鋅基合金材料來(lái)代替。這種替代材料價(jià)格便宜,質(zhì)量輕,機(jī)械特性好,但缺點(diǎn)是熱敏性高,對(duì)鑄造的要求高,容易產(chǎn)生氣孔、疏松和夾渣等缺陷。由于材料和結(jié)構(gòu)上的因素,蝸桿的強(qiáng)度一般高于蝸輪的強(qiáng)度,所以通常都是蝸輪的輪齒失效。
電梯曳引機(jī)的減速箱通常是封閉環(huán)境,由于散熱條件不好,并且連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的重載運(yùn)行,所以蝸輪蝸桿的蝸輪非常容易發(fā)生失效。工程應(yīng)用中比較常見(jiàn)的蝸輪輪齒的失效形式有:齒面膠合、齒面磨損、齒面點(diǎn)蝕、輪齒折斷和齒面塑性變形等。電梯曳引機(jī)的減速箱中齒面磨損和輪齒折斷最常見(jiàn),如圖1所示。
圖1 輪齒失效
設(shè)定一般參數(shù):載重800 kg,梯速1.75 m/s,曳引機(jī)功率15 kW,轉(zhuǎn)速1 500 r/min,曳引輪直徑620 mm,極數(shù)4。為簡(jiǎn)化計(jì)算,便于觀察輪齒,假設(shè)齒頂直徑48 mm,齒底直徑30 mm,齒數(shù)10,齒厚4 mm,彈性模量2.06×1011,密度7.8 × 103,最大轉(zhuǎn)速5.7 rad/s。
通過(guò)考察蝸輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生多大的徑向位移,從而判斷其變形情況以及蝸輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中齒面受到的壓力作用。ANSYS軟件以它的多種分析功能而成為CAE軟件的應(yīng)用主流,在工業(yè)的各個(gè)方面應(yīng)用廣泛[8]。本文作者利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行建模分析,步驟如下:
(1)建立蝸輪模型:定義單元類(lèi)型和實(shí)常數(shù)、定義材料屬性、建立幾何模型,如圖2所示。
圖2 齒輪模型
(2)對(duì)建立好的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖3所示。
圖3 劃分網(wǎng)格
(3)定義邊界條件并求解:其中定義施加載荷為旋轉(zhuǎn)離心力,由5.7 rad/s轉(zhuǎn)速產(chǎn)生;定義位移邊界條件為固定蝸輪內(nèi)孔邊緣各節(jié)點(diǎn)的周向位移。
(4)查看結(jié)果:查看變形和徑向應(yīng)力,分別如圖4、5所示。
由求解結(jié)果可知,最大變形位于輪齒的外齒廓最大處,數(shù)值為0.004 mm,此處最易發(fā)生輪齒磨損,最大徑向的位置位于齒根處,數(shù)值為0.158e+09,此處最易發(fā)生輪齒折斷。
圖4 齒輪變形
圖5 齒輪徑向應(yīng)力
電梯是日常生活中一種常見(jiàn)的特種設(shè)備,電梯的正常運(yùn)行涉及老百姓的人身和財(cái)產(chǎn)安全。曳引機(jī)是電梯的動(dòng)力源,是電梯安全運(yùn)行的最主要部件。對(duì)于采用蝸輪蝸桿減速箱的有齒輪曳引機(jī),在維修保養(yǎng)時(shí)需按照廠家規(guī)定的要求進(jìn)行維保,選用合適的潤(rùn)滑油,必須加到規(guī)定的量,按時(shí)更換,對(duì)于沒(méi)有達(dá)到更換時(shí)間的潤(rùn)滑油,在維修保養(yǎng)時(shí)只要打開(kāi)油箱蓋觀察到油的粘度變稠、變稀、潤(rùn)滑油發(fā)黑變質(zhì)等異?,F(xiàn)象也應(yīng)該立刻更換。電梯減速箱的溫度不宜過(guò)高,在日常維保時(shí)可以嘗試觸摸軸承的端蓋和減速箱外殼,如果溫升異常,應(yīng)立刻檢查原因,排除原因后方可繼續(xù)運(yùn)行。曳引機(jī)減速箱應(yīng)定期保養(yǎng),及時(shí)更換符合要求的潤(rùn)滑油。當(dāng)發(fā)現(xiàn)輪齒有磨損和折斷現(xiàn)象時(shí),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)或更換,確保電梯安全運(yùn)行。