黄骅港翻车机主体减速机齿轮损坏分析与改进

黄骅港翻车机主体减速机齿轮损坏分析与改进

周庆学

（神华黄骅港务有限责任公司河北沧州061113）

摘要：针对黄骅港二期翻车机主体减速机齿轮损坏，深入研究了设备相关部分的机构原理，剖析了损坏的原因，提出并实施了改进方法，降低设备重复故障发生，为保证安全维修创造了良好条件。

关键词：翻车机;减速机;齿轮;改进

Abstract:ForcardumperfromthesecondareaofHuanghuaportdamageofmainreducergear,furtherstudyoftherelevantpartofthebodyequipmentprinciple,analyzesthecausesofdamage,theimprovedmethodareputforwardandimplemented,reduceequipmentrepeatedfailure,inordertoensurethesafemaintenancehascreatedfavorableconditions.

Keywords:Cardumper;Reductionbox;Gear;Improve

1背景

黄骅港二期翻车机均为C型两翻式翻车机，入端主驱动，出端从驱动。翻车机通过驱动电机运转，其输出轴通过联轴器连接减速机运行，减速机驱动轴上小齿轮与翻车机端环齿条轨道啮合，实现翻车机动作。减速机采用平行轴型，两台减速机之间用同步轴联接，以保证翻车同步。在翻车过程中驱动装置异响剧烈，检查驱动装置外表并拆卸减速机上部观察孔，发现减速机内二级轴齿面磨损、三级轴齿断裂、四级轴齿断裂，并且经历C80改造的CD8翻车机也发生类似问题，严重危害设备作业。从以上问题中看出翻车机主体减速机齿轮损坏对卸车生产造成巨大损失。因此有必要对其损坏原因分析，提出改进方法，避免重复故障。

2分析与改进

2.1主体减速机齿轮损坏分析

目前齿轮由于设计不当，制造有误差，装配不良，或在不适当的条件下运行时，会产生各种损伤。其形式很多，而且又往往是相互交错在一起，使齿轮的损伤形式显得更为复杂。齿轮的损伤形式随齿轮材料、热处理、运转状态等因素的不同而不同，常见的形式有齿面磨损失效、表面接触疲劳失效、齿面塑性失效、轮齿弯曲断裂，有疲劳断齿（断口呈疲劳特征）和过载断齿（断口粗糙）。

由于斜齿轮啮合性能比较好、重合度大、结构紧凑、制作成本与直齿相同等优点，传动性能可靠，普遍应用于黄骅港二期翻车机主体减速机。常见减速机斜齿损坏在于负荷过重或者安装间隙配合不好造成。由于黄骅港二期CD5和二期扩容CD8翻车机均为运行十年以上的设备，根据近期出现的主体减速机斜齿轮损坏状况，排除原有减速机设计不当、制造有误差、装配不良的情况。分析主要原因在于负荷较重，进行减速机改型需要耽搁设备正常作业，且耗费高额成本。因此从损坏的减速器分析并提出可行性改进措施，有利于使当前黄骅港二期翻车机设备效率和效益最大化。查阅损坏的减速器型号，物料参数为3Sg280SoG25647\i=21.9\无逆止器\右出轴，内部结构（见图1）如下：

图1翻车机主体减速机结构图（俯视图）

目前黄骅港二期翻车机主体减速机损坏时，需要用同类西门子系列减速机或者相似的国产备件进行替代，及时恢复翻车机设备正常作业；同时损坏减速机需要返厂修复，其内部损坏部位（见表1）需要更换，且经过厂家测试，才能具备作业状况。

分析齿轮损坏的主要原因在于翻车机主体减速机在不适当的条件下运行，查阅减速机铭牌发现，电机功率为200KW，电机转速1480r/min，减速机速比21.9，得到：

减速机输出转速=电机转速/减速机速比=1480/21.9=67.58r/min

根据电机额定电流为360A，电机重载最大电流为394A，得到:

电机过载率=电机重载最大电流/电机额定电流=394/360=1.094

根据电机扭矩计算公式T=9550P/n，得到：

减速机输出端扭矩=9550*200*1.094/67.58=30932.11Nm

查阅《减速器选用手册》，根据输入轴与输出轴中心距620mm、输入转速1480r/min、传动比21.9，得到对应减速机额定输出扭矩39040Nm。

由此得到：减速机安全系数=减速机额定输出扭矩/减速机输出端扭矩=39040/30932.11=1.262。目前减速机使用安全系数根据使用条件（每天翻车机运行时间超过12小时以上和每小时平均启动次数3次，及环境温度等因素），确定减速机的使用系数大于1（一般＞1，即减速机容量＞电机容量），来保证减速机额定的机械能和热能有余量。计算得到的减速机额定扭矩为实际负载扭矩的1.26倍，安全系数过小。减速机比较电机输入功率的服务系数为1.4倍，电机堵转过载系数为2倍，则减速机服务系数1.26过小，按照当前黄骅港二期翻车机运行时间及启停次数，参照厂商标准，服务系数应大于1.8倍。通过影响减速机安全系数的影响因素分析，降低电机重载最大电流，可以一定程度提高减速机安全系数。

2.2主体减速机减少齿轮损坏改进方法

目前黄骅港二期及二期扩容翻车机设备接卸C70A和C80车型较多。以两种车型的基本参数进行对比，可以知道C80车型重载100吨，C70A车型重载93吨；C80车型较C70车型长度减少1.726m、高度增加0.48m。由于C80火车增加高度和重量，所以改造后核算翻车机的配重和驱动力矩及翻车机托轮的承载能力可能存在偏差，造成驱动力矩不正常。当驱动电机堵转过载时，电机由于过电流而跳闸停止，这时减速机会存在内部损坏的情况，频繁出现会造成减速机内部打齿，影响减速机的正常运行。

目前根据现场二期翻车机设备重载作业状况，翻车机翻车至50°左右时开始落料，翻车至180°时空车返回（理论计算，实际作业过程中翻车至160°后返回）。一般翻车机翻车过程，煤炭随着翻车角度增加下落量逐渐增加，剔除车厢内部附着煤的可能性，理论上在160°左右翻卸完全。

假设翻C70A时，翻车机和C70A（空车）总重心在回转中心，即翻车机翻C70A空车转矩为恒定值(此条件为计算翻C80增加转矩而假设）；且翻转角度从0°开始以10°逐步递增至180°然后递减至0°计算。

2.2.1C80翻至90°时扭矩和电流计算

C80翻至90°时增加扭矩：

T=（C80重车重心高-翻车机回转重心高）*（C80自重+C80载重）-（C70A重车重心高-翻车机回转重心高）*（C70A自重+C70A载重）=(1997-850)*100-(1902-850)*93=16864kgm。

C80增加转矩折算为增加电流（A）：

I=C80翻至90°时增加扭矩/495.74*360*9.8/1290=16864/495.74*360*9.8/1290=93.03A

2.2.2C80翻至[0°，50°]时扭矩和电流计算

C80翻车在[0°，50°）区间范围内，

C80增加扭矩T=C80翻至90°时增加扭矩*sin（radians(角度)）

C80增加转矩折算为增加电流（A）：

I=C80翻至此角度时增加扭矩/495.74*360*9.8/1290

2.2.3C80翻至[60°，90°）时扭矩和电流计算

C80翻车在[60°，90°）区间范围内，

C80增加扭矩T=[C80翻至90°时增加扭矩-C80翻车至此角度卸煤量*到回转重心距离+C70A翻车至此角度卸煤量*到回转重心距离]*sin（radians(角度)）

C80增加转矩折算为增加电流（A）：

I=C80翻至此角度时增加扭矩/495.74*360*9.8/1290

技术人员利用DriveMon-[MasterdrivesVC(CUVC)(Adr:0):(RAM)]软件进行速度-转矩-电流曲线分析，通过增加翻车机配重，从而改变翻车机转矩，达到影响翻车机最大电流的效果。

通过翻C80车和翻C70A车转矩-电流增加对比和CD5翻车机速度-转矩-电流曲线分析，翻车机在回转到90度左右时转矩（电流）最大，约到达额定电流的120%。过载持续时间不长，约2s。空车回转时电流较小，约额定电流的50%。

由此得出，翻车机空车状况时，整个翻车机回转体重心位于回转中心附近；

C80重车作业时，整个翻车机回转体重心位于回转中心的正上方，90°时力矩最大，翻车机此刻电流最大；目前状态下翻车时电流过大，回翻时电流较小；

当C80翻至90°时力矩最大，此时力矩T==16864kgm，C80增加转矩折算为增加电流I=93.03A，按照当前设备运行要求，翻车机电机翻转时最大电流小于90%，此时最大电流要求小于83.727A，回翻时，电机最大电流小于70%，此时最大电流要求小于65.121。

根据C80翻至90°时电流和扭矩计算公式，

C80增加转矩折算为增加电流83.727（A）：

C80翻至90°时增加扭矩=83.727*1290/9.8/360*495.74=15176.8kgm

根据C80翻至90°时力矩计算公式T=（C80重车重心高-翻车机回转重心高）*（C80自重+C80载重）-（C70A重车重心高-翻车机回转重心高）*（C70A自重+C70A载重），得到此时C80翻车机回转重心高H=1091mm

由于翻车机的C型结构和靠车板、压车梁的不对称分布，使翻车机的重心偏离回转中心。通过增加配重使翻车机重心和回转中心重合。且翻车机在翻卸煤炭过程中，煤炭对回转重心的力矩是变化的，由此看出在翻转到90°时C80车型增加转矩达到最大，最大值为16864kgm，它的变化过程是从0-16.864t-0，所以增加固定配重使重力力矩最大值减小（要求减小至15176.8kgm，并且满足配重单独作用所产生的最大力矩，要和配重平衡煤炭后的力矩最大值接近）。为了简化计算，我们以翻卸煤炭力矩最大值时计算配重质量。

配重单独作用时重力力矩最大值应等于配重平衡煤炭后重力力矩，得到配重M为8.5t。

根据目前CD5翻车机入端和出端的端环存在8块配重块（配重重量4吨）的情况，计算可得在翻车机原有端环的基础上重新增加4.5吨配重，分别安装至入端和出端两侧或者安装在入端和出端最外侧，保证整个配重平衡。按照这种调整后总配重为8.5吨，满足翻车机电机翻转时最大电流小于原有值90%、回转最大电流小于原有值70%的情况。

改进翻车机主体减速机齿轮损坏的状况，需要设计配重块，为便于对比改进效果，以原C80改造运行平稳的CD2翻车机为例，原CD2翻车机端环两侧共12块配重，约8吨，且配重到回转重心距离4210mm，目前CD5翻车机端环两侧共8块配重，约4吨，且配重到回转重心距离3670mm。现有翻车机主体配重块为圆弧和矩形的复杂结构，根据钢板重量(公斤)=7.85×厚度×面积计算公式，现配重块的重量=矩形部分配重块重量+弧形部分配重块重量，其中矩形部分配重块重量=7.85*32*[2900*570-3.14*（70/2)*(70/2)*2]==0.41吨，弧形配重=7.85*32*[3.14*4130*4130*2arcsin(1450/4130)/360-0.5*(4130-230)*2900]=0.11吨，得到现有配重块的重量=0.52吨。

为便于加工制作和后期安装，改为矩形钢板，改造的配重块沿用Q235A的碳素结构钢钢板制作，连接用的平垫圈采用大小为64mm硬度为200HV的不锈钢垫圈、螺母采用M64的粗牙I型六角螺母，穿过端环640mm内孔的螺杆采用长度为1434mm的40Cr合金钢，矩形部分配重块重量=7.85*50*[2900*880-3.14*（70/2)*(70/2)*2]==1吨且根据钢板厚度不同，可以选用10、20、40mm的钢板，按照改进配重块的图纸加工得到0.1吨、0.2吨、0.4吨的配重块进行配合使用，保证翻车机主体配重调整至当前理论计算的合理值8.5吨，经过现场翻车机设备重载作业调试，减少主体减速机齿轮损坏的重复故障。

3结论

黄骅港CD5、CD8翻车机由原来的翻卸C70火车，改为翻卸C80火车，钢结构重量增加、配重和驱动力矩也随之变化。通过分析减速机齿轮损坏因素，排除装配、制作等影响，从设计、不良条件运行入手，得出配重块的安装对减速机驱动齿轮的影响，并针对配重块重量的调整及后期选料、加工进行改进。经过运行观察，设备平稳，消除此类重复故障发生，提升黄骅港翻车机的运行效率。

参考文献

[1]周明衡.减速器选用手册[M].北京：化学工业出版社，2002.

[2]闻邦椿.机械设计手册单行本：减速器和变速器[M].北京：机械工业出版社，2015.

[3]于靖军.机械原理[M].北京：机械工业出版社，2013.