李靜澤

（滄州黃驊港礦石港務(wù)有限公司，河北滄州 061113）

0 引言

在大型機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中，電纜卷筒起到關(guān)鍵作用，能夠?yàn)樵O(shè)備提供電源、控制電源及信號實(shí)施。對于許多重型機(jī)械設(shè)備，如起重機(jī)、裝船機(jī)等，電纜卷筒控制著設(shè)備長距離的行走，對設(shè)備電纜進(jìn)行適當(dāng)?shù)木怼⒎挪僮鳎ＷC支持操作的電力具有連續(xù)性，整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)也能正常運(yùn)行。

1 技術(shù)優(yōu)化的必要性

本次研究的設(shè)備系統(tǒng)，主要設(shè)備有取料機(jī)、裝船機(jī)、皮帶機(jī)，這些設(shè)備的長距離行走均依賴于電纜卷筒裝置，且電纜卷筒的有效控制操作還需要結(jié)合對應(yīng)減速器。例如，在將電纜卷取的過程中，其電機(jī)會(huì)直接輸出動(dòng)力，然后運(yùn)用減速的部分將卷盤帶動(dòng)起來、收取電纜。在電纜釋放過程中電機(jī)會(huì)輸出阻礙力，該作用力結(jié)合減速器將拉開卷盤的過程速度放緩，從而確保放纜的同步性特點(diǎn)，在實(shí)際停機(jī)電機(jī)過程中，由于長期堵轉(zhuǎn)的電機(jī)具有著制動(dòng)器裝置，因此在斷電過程中電纜不會(huì)受本身自重的影響，也就不會(huì)滑落卷盤。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，電纜卷筒的減速器裝置經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)難以穩(wěn)定運(yùn)行，一些大型設(shè)備甚至無法行走，影響實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)，因此需要進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，確保其效能的發(fā)揮。

2 電纜卷筒減速器的結(jié)構(gòu)特征

斗輪堆取料機(jī)的電纜卷筒減速器包括蝸桿結(jié)構(gòu)、蝸輪結(jié)構(gòu)、卷筒的連接法蘭、彈簧裝置、彈簧座結(jié)構(gòu)、摩擦片、調(diào)整螺母及調(diào)整螺桿等，其中調(diào)整螺桿、蝸桿及蝸輪之間有著一定的連接性，調(diào)整螺桿的實(shí)際螺旋升角會(huì)影響蝸輪和蝸桿的單向傳動(dòng)操作，從而形成反向自鎖。電纜卷筒軸并沒有與蝸輪結(jié)構(gòu)直接聯(lián)接，通過滾動(dòng)軸間接實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，因此在電機(jī)運(yùn)行時(shí)蝸輪無法直接傳遞輸出力矩。而電動(dòng)卷筒軸會(huì)通過螺紋來與調(diào)整螺母實(shí)現(xiàn)聯(lián)接，再通過鍵與兩側(cè)的摩擦片實(shí)現(xiàn)聯(lián)接，整體實(shí)現(xiàn)一體化的傳動(dòng)。

經(jīng)過特殊工藝的處理后蝸輪端部表面和摩擦片的表面會(huì)形成深度不一的螺紋，在壓簧產(chǎn)生壓緊作用時(shí)這能夠讓蝸輪的兩個(gè)端面與摩擦面更加充分地貼合，兩者的接觸面還會(huì)形成一層油膜，進(jìn)而輸出摩擦力矩、調(diào)控壓簧的實(shí)際壓緊力。這就相當(dāng)于調(diào)控輸出的摩擦力矩，使實(shí)際摩擦力矩與負(fù)載力矩之間更加協(xié)調(diào)、匹配。

3 控制電纜卷筒減速器的技術(shù)優(yōu)化

3.1 工作原理

在實(shí)際運(yùn)行工作過程中，電纜卷筒需要控制大型設(shè)備的行走，因而在取料機(jī)的控制下會(huì)形成兩種動(dòng)作，即卷纜動(dòng)作與放纜動(dòng)作，因此需要的電纜長度與大型設(shè)備行走的路程有關(guān)，一般設(shè)置為該路程的1/2。在本次研究中，斗輪堆取料機(jī)行走的路程約1200 m，而在整個(gè)路程中電纜卷筒的回轉(zhuǎn)半徑通常是在路程中間位置上處于最大值，而卷纜動(dòng)作與放纜動(dòng)作之間的自動(dòng)化轉(zhuǎn)換主要通過換向器來實(shí)現(xiàn)。

（1）卷纜原理。主要是指電機(jī)輸出力矩來控制蝸桿機(jī)構(gòu)、蝸輪機(jī)構(gòu)以及摩擦制動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為摩擦力矩傳遞到電纜卷筒的回轉(zhuǎn)軸位置上，帶動(dòng)著卷筒實(shí)現(xiàn)卷纜操作。在這一過程中，機(jī)械設(shè)備大車的行走不斷加長，電纜卷起的實(shí)際回轉(zhuǎn)半徑也會(huì)逐漸增大，如果這時(shí)蝸輪端面上的摩擦力矩大于卷纜時(shí)的負(fù)載力矩，則摩擦片不會(huì)在蝸輪端面上出現(xiàn)滑動(dòng)，當(dāng)電纜卷筒的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角速度不變但其線速度不斷增大時(shí)，卷纜的半徑也會(huì)增加，如果該線速度超過了實(shí)際設(shè)備行走的速度，那么卷纜過程會(huì)出現(xiàn)過緊的情況，其拉緊力不斷提升，負(fù)載力矩也會(huì)不斷增加，直到超過了摩擦力矩，則摩擦片就會(huì)在蝸輪端面上出現(xiàn)相對滑動(dòng)，這時(shí)會(huì)消除許多額外的轉(zhuǎn)動(dòng)，斗輪堆取料機(jī)設(shè)備的實(shí)際行駛速度就會(huì)與卷纜速度相匹配。在電機(jī)斷電以后，斗輪堆取料機(jī)設(shè)備會(huì)停止行駛運(yùn)動(dòng)，在反向自鎖的作用下其蝸輪機(jī)構(gòu)與蝸桿機(jī)構(gòu)會(huì)使外部回轉(zhuǎn)的力矩與傳遞的摩擦力矩之間形成平衡，從而進(jìn)一步精準(zhǔn)控制制動(dòng)。

（2）放纜原理。放纜時(shí)首先是進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的電機(jī)會(huì)斷電停止作用，然后是蝸輪機(jī)構(gòu)與蝸桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行反向自鎖，而這時(shí)電纜本身的自重作用影響再加上斗輪堆取料機(jī)在行駛時(shí)對電纜產(chǎn)生的拉力殘留，會(huì)進(jìn)一步促使卷筒軸發(fā)生相對力作用，帶動(dòng)著摩擦片與蝸輪端面之間形成了滑動(dòng)情況，放纜的速度也不會(huì)過快，這樣能夠保持與取料機(jī)實(shí)際行駛速度相匹配，控制放纜動(dòng)作。

3.2 故障情況與原因分析

對減速器裝置蝸輪機(jī)構(gòu)及蝸桿機(jī)構(gòu)底部的減速器軸承檢查發(fā)現(xiàn)，軸承出現(xiàn)溫度過高的情況且溫度升高速度較快，像是當(dāng)斗輪堆取料機(jī)行駛一個(gè)垛位（實(shí)際長度約50 m）時(shí)，軸承的溫度已經(jīng)直接升高至70 ℃，而在這個(gè)溫度狀態(tài)工作，軸承就會(huì)受到高溫影響而出現(xiàn)損壞，如內(nèi)外圈結(jié)構(gòu)、滾珠及保持架等。如果未能對及時(shí)檢測并處理這一情況，就有可能導(dǎo)致出現(xiàn)蝸桿下端蓋被摩穿的事故，影響減速器整體的運(yùn)行，不能實(shí)現(xiàn)正常的電纜卷放動(dòng)作，取料機(jī)也就無法進(jìn)行取料。對該減速器裝置深入拆卸檢查分析發(fā)現(xiàn)，蝸桿機(jī)構(gòu)中無論是底部軸承還是上部軸承，均為雙列向心球形式結(jié)構(gòu)，同時(shí)底部的端蓋為蝸桿軸且向定位支撐，其蝸桿和蝸輪均未發(fā)生損壞，兩者在制造上具有較高的精度。

根據(jù)實(shí)際損壞情況可以知道，在卷纜作業(yè)時(shí)蝸桿受到一個(gè)較大軸向力的作用，再加上軸承本身的結(jié)構(gòu)形式影響、在軸向上的承載能力比較薄弱，同時(shí)其還會(huì)受到一個(gè)向下的軸向力，因此軸承會(huì)在一開始迅速發(fā)熱，隨后會(huì)逐漸出現(xiàn)局部構(gòu)件的磨損，最后損壞整個(gè)軸承，進(jìn)而對該軸承產(chǎn)生支撐作用的下端蓋也會(huì)出現(xiàn)局部磨損、最終將其磨穿。由此可以判斷，在該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員可能未考慮軸承會(huì)受到向下軸向力的作用，也可能以為這一力不大而被忽視，因此設(shè)計(jì)形式存在不足，軸承難以滿足運(yùn)行要求。即該軸承在設(shè)計(jì)或選型方面存在不合理之處，進(jìn)而影響取料機(jī)的工作。

3.3 技術(shù)改進(jìn)方案

電纜卷筒減速器的技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)方案有3 種，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來選擇。

3.3.1 克服向下軸向力

該項(xiàng)改進(jìn)措施最為直接、有效的方式就是更換軸承，選擇向心推力型的軸承，這種軸承的特點(diǎn)是能夠承受軸向本身的荷載和豎直方向上的荷載，且豎直向上承受荷載的能力大于原軸承。根據(jù)豎直方向上荷載的計(jì)算結(jié)果來設(shè)計(jì)軸承尺寸，但其多數(shù)情況下不符合原安裝的尺寸。

3.3.2 更換蝸桿結(jié)構(gòu)

更換新的蝸桿時(shí)還需要保證其直徑大于原蝸桿尺寸，同時(shí)還需滿足軸承的安裝尺寸要求。更換以后，機(jī)體上的軸承孔通常需要重新加工，所以這種改進(jìn)方案的耗時(shí)較長，同時(shí)有成本較高、不經(jīng)濟(jì)的缺點(diǎn)，且其實(shí)際加工過程中的精度也難以控制。

3.3.3 在不改變原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)施改進(jìn)

主要是延長蝸桿機(jī)構(gòu)下端位置尺寸，讓其對另一盤向心推力軸承產(chǎn)生輔助作用，當(dāng)其豎直方向上軸承的載荷無異常時(shí)可以只考慮軸向荷載即可。不過改進(jìn)蝸桿時(shí)其長度會(huì)增加、結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，因而安裝位置也會(huì)發(fā)生改變。

具體實(shí)施的改造方案為：將蝸桿下端部位置上的螺紋部分連接到一個(gè)階梯軸，在該階梯軸的下方位置安裝一個(gè)推力型軸承，軸承座為新的端蓋。

實(shí)際改造加工的順序?yàn)椋焊鶕?jù)蝸桿下方外螺紋的形式加工連接階梯軸的內(nèi)螺紋，保證兩者相匹配、實(shí)現(xiàn)有效連接，并且所選階梯軸的長度與直徑應(yīng)當(dāng)超出需求標(biāo)準(zhǔn)，留有實(shí)際加工空間；在兩個(gè)軸連接好以后對新的軸承安裝位置進(jìn)行精細(xì)加工，主要是保證兩個(gè)軸的同心度相同；拆除原結(jié)構(gòu)的下端蓋，制作出新的端蓋和軸承座，再用螺栓孔固定和連接，對原來蝸桿的兩個(gè)軸承孔進(jìn)行有效定位；在減速器下箱體的端蓋位置加工出一個(gè)定位止口（深約1 mm），使其與新的端蓋軸承定位孔相匹配，確保其安裝后的同心度與蝸桿軸承相統(tǒng)一。

該項(xiàng)改進(jìn)可以大大降低減速器的故障概率，因此選用這種技術(shù)優(yōu)化方案比較合理。

4 結(jié)論

綜上所述，某斗輪堆取料機(jī)控制電纜卷筒減速器的原軸承設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致減速器裝置常常會(huì)出現(xiàn)故障問題，進(jìn)而影響取料機(jī)的正常工作和生產(chǎn)效率。通過對其故障原因與基本情況的探析，設(shè)計(jì)了3 種的改進(jìn)方案，最終確定在不改變原結(jié)構(gòu)的前提下，通過在螺桿下端加新軸承、構(gòu)建鏈接軸承的方式進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，提升設(shè)備整體運(yùn)行的穩(wěn)定性。