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作者：閔青松
（蛇口集裝箱碼頭有限公司）

　　摘  要：小車(chē)減速箱是橋吊牽引機(jī)構(gòu)的重要組成部份，保證減速箱在工作中的正常運(yùn)行，對(duì)提高橋吊的工作效率和安全性能有著重要意義。對(duì)齒輪軸斷口進(jìn)行宏觀分析，結(jié)合有限元和材料力學(xué)等方面，深入地分析減速箱齒輪軸斷裂原因，同時(shí)提出合理化的處理方案和改進(jìn)措施。
　　關(guān)鍵詞：港口；牽引小車(chē)；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臺(tái)牽引小車(chē)減速箱在正常工作中發(fā)生第300齒輪軸鍵槽根部徑向整體斷裂事故，造成各級(jí)傳動(dòng)齒輪和軸承、箱體不同程度損傷。發(fā)生斷軸事故的4臺(tái)牽引小車(chē)減速箱平均運(yùn)行時(shí)間為11120h。該橋吊于2003年投入生產(chǎn)，小車(chē)牽引機(jī)構(gòu)減速箱為某進(jìn)口品牌，作為世界頂級(jí)動(dòng)力傳動(dòng)設(shè)備制造商，各方面技術(shù)成熟，制造工藝應(yīng)該是不存在問(wèn)題，如果按“減速箱保養(yǎng)規(guī)范”進(jìn)行保養(yǎng)維修，理論上的使用壽命至少可以達(dá)到15年～20年以上。但是展現(xiàn)在面前的兩臺(tái)減速箱在同一時(shí)間段、同一根軸和同一位置發(fā)生斷裂，不得不讓人深思，去尋找問(wèn)題的根源。本文通過(guò)對(duì)斷軸部位進(jìn)行分析，找出斷裂的根本原因，對(duì)減速箱其中缺陷進(jìn)行整改、修復(fù)，在確保橋吊安全的情況下提高生產(chǎn)力。
　　1　減速箱斷軸原因分析
　　1.1電機(jī)輸出扭矩現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)
　　該型橋吊使用ABB生產(chǎn)的三相交流異步電機(jī)，其主要參數(shù)為：V=500，Hz=60，P=320kW，r/min=1750，A=474。工作現(xiàn)場(chǎng)觀察電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出扭矩實(shí)際狀況，發(fā)現(xiàn)在小車(chē)啟動(dòng)時(shí)輸出扭矩Z大，尖蜂扭矩達(dá)到101.67％，（圖1）小車(chē)均速運(yùn)行時(shí)輸出扭矩在20％～70％之間。

 

圖1  小車(chē)電機(jī)輸出扭矩示意圖

　　1.2斷口宏觀分析
　　齒輪軸斷口表面金屬平滑，有非常明顯的弧型花紋，Z終瞬斷區(qū)域的，放射狀花樣清晰可見(jiàn)，瞬間斷裂區(qū)的面積僅是軸的整個(gè)面積的五分之一左右，屬于典型的高周疲勞斷裂（見(jiàn)圖2）。斷口由疲勞裂源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)等三個(gè)區(qū)域組成。

圖2  齒輪軸斷面裂紋源區(qū)圖

　　齒輪軸在疲勞載荷作用下，其表面應(yīng)力Z大，軸的中心部位應(yīng)力Z小。疲勞源首先在表面形成，然后產(chǎn)生宏觀裂紋，同時(shí)該裂紋沿著于Z大正應(yīng)力相垂直方向擴(kuò)展，宏觀裂紋的兩側(cè)在交變載荷作用下，反復(fù)擠壓、分開(kāi)，形成斷口的光滑區(qū)，到Z后瞬間斷裂。
　　仔細(xì)觀察斷口裂紋源區(qū)（見(jiàn)圖2），不難發(fā)現(xiàn)該軸Z早期初始疲勞源區(qū)在鍵槽的根部（圖2源區(qū)1），應(yīng)力Z大區(qū)域產(chǎn)生疲勞源。在交變應(yīng)力的繼續(xù)作用下，初始裂紋處的應(yīng)力集中促使裂紋擴(kuò)展，這時(shí)應(yīng)力集中較大，軸的周邊部位產(chǎn)生新的裂紋源（圖2源區(qū)2）。兩端裂紋源同時(shí)快速朝著同一方向集中靠攏，當(dāng)兩處裂紋源集中到一點(diǎn)時(shí)，齒輪軸承載面積不能承受牽引小車(chē)載荷沖擊，產(chǎn)生瞬間脆性疲勞斷裂。
　　2　用有限元分析軟件ALGOR對(duì)斷軸分析
　　2.1減速箱材質(zhì)
　　減速箱 P=320kW，n1=1750/min，n2=66.89/min 第3級(jí)齒輪軸直徑為130 mm，軸材質(zhì)為：17CrNiMo6，主要化學(xué)成分和力學(xué)性能：

表1  齒輪軸材質(zhì)化學(xué)成份

表2  齒輪軸材質(zhì)力學(xué)性能參數(shù)

　　2.2減速箱300軸圖紙（見(jiàn)圖3）

圖3  齒輪軸零件圖

　　2.3CAD軟件建模
　　根據(jù)減速箱300軸圖紙實(shí)際尺寸建立軸的三維模型，完全真實(shí)反映該軸外型特征，見(jiàn)圖4、5。

　　2.4單元類(lèi)型選取和網(wǎng)格生成
　　該模型為典型的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，需要采用實(shí)體單元模擬，ALGOR軟件提供了全自動(dòng)的六面體、四面體以及混合網(wǎng)格的高度智能化的劃線(xiàn)功能，即使不進(jìn)行任何控制，也可以生成非常復(fù)雜模型的高精度的網(wǎng)格，保證計(jì)算的高效性和高精度，見(jiàn)圖6。
　　ALGOR的自動(dòng)網(wǎng)格生成器可以非常智能地生成以六面體為主的網(wǎng)格，只要設(shè)置細(xì)化級(jí)別就可以控制網(wǎng)格密度。

圖6  ALGOR軟件生成的300軸裝配網(wǎng)絡(luò)模型圖

　　2.5載荷、邊界條件的確定
　　為簡(jiǎn)化模型計(jì)算量，大齒輪外表特征簡(jiǎn)化，模型類(lèi)型設(shè)定為線(xiàn)性靜力分析，即小車(chē)啟動(dòng)的一瞬間的狀態(tài)，齒輪軸處于靜止?fàn)顟B(tài)，軸端軸承為調(diào)心滾子軸承，故軸承支座可以認(rèn)為是鉸支座，設(shè)邊界條件為鉸支座。
　　2.6線(xiàn)性靜力分析結(jié)果。
　　圖7為線(xiàn)彈性情況下得到的模型等效應(yīng)力分布。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，Z大等效應(yīng)力為549MPa，比較（見(jiàn)表2）所示的材料參數(shù)，模型的Z大等效應(yīng)力小于該模型材料的屈服極限785MPa，說(shuō)明屈服強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。
　　2.7疲勞壽命分析
　　ALGOR軟件提供專(zhuān)用疲勞分析模塊，可以預(yù)測(cè)復(fù)雜多重交變載荷作用下結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，同時(shí)可以提供直觀的向?qū)Чδ?，?lái)完成疲勞分析。

圖7  300軸軟件線(xiàn)性靜力分析結(jié)果圖

　　2.7.1疲勞分析方法的確定
　　常用的疲勞分析方法有兩種，即應(yīng)力壽命法和應(yīng)變壽命法。應(yīng)力壽命法基于S-N曲線(xiàn)（應(yīng)力-循環(huán)曲線(xiàn)，應(yīng)力幅值對(duì)應(yīng)的疲勞循環(huán)次數(shù)），假定應(yīng)力處于彈性范圍內(nèi)，適用于疲勞循環(huán)次數(shù)10000次以上，尤其是100000次以上的情況。應(yīng)變壽命法基于E-N曲線(xiàn)（應(yīng)變-循環(huán)曲線(xiàn)，類(lèi)似于S-N曲線(xiàn)），可以考慮材料的塑性變形，對(duì)于可能引起局部屈服的循環(huán)載荷作用下的疲勞計(jì)算精度更高。
　　由于該模型線(xiàn)性計(jì)算結(jié)果的等效應(yīng)力為549MPa，小于材料的屈服極限785MPa，應(yīng)力處于彈性范圍內(nèi)，因此采用應(yīng)力壽命法進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)為1000000次。
　　2.7.2S-N曲線(xiàn)的確定。
　　應(yīng)力壽命法需要知道材料的S-N曲線(xiàn)，fatigue wizard能夠根據(jù)輸入的材料性能和材料類(lèi)型確定一條S-N曲線(xiàn)，材料性能參數(shù)包括彈性模量、抗拉強(qiáng)度、磨光疲勞極限、極限循環(huán)次數(shù)，材料類(lèi)型為鋼材，見(jiàn)圖8。

圖8  300軸材料的S-N曲線(xiàn)圖

　　3.7.3載荷曲線(xiàn)確定
　　在實(shí)際工作中小車(chē)運(yùn)行真實(shí)情況啟動(dòng)、停止線(xiàn)性狀況，所以分析過(guò)程中采用正弦載荷曲線(xiàn)，見(jiàn)圖9。

圖9  正弦載荷曲線(xiàn)圖

　　2.7.4疲勞極限修正因子的確定
　　S-N曲線(xiàn)通常來(lái)自于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的磨光試件進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)。將這種試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用于實(shí)際的工作環(huán)境時(shí)需要進(jìn)行一定的修正。這種修正通過(guò)在試驗(yàn)疲勞極限上施加修正因子實(shí)現(xiàn)，由于齒輪軸為加工件，所以修正因子為0.56。
　　2.7.5疲勞壽命分析結(jié)果
　　疲勞壽命分析結(jié)果在fatigue wizard處理環(huán)境中查看到計(jì)算結(jié)果的多色顯示圖和交通燈圖。交通燈圖中的紅色代表破壞，黃色代表臨界區(qū)域，綠色代表安全區(qū)域。
　　fatigue wizard預(yù)測(cè)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。每小時(shí)吊箱30個(gè)，每吊一個(gè)箱小車(chē)啟動(dòng)和停止6次計(jì)算，減速箱疲勞破壞周期為2001600次，說(shuō)明以上計(jì)算是精確的。
　　3　減速箱軸斷裂改進(jìn)方法及意見(jiàn)
　　由以上數(shù)據(jù)分析：減速箱軸由于日積月累疲勞導(dǎo)致斷裂，應(yīng)力集中是造成減速箱軸斷裂的主要原因，主要還是軸的疲勞強(qiáng)度（構(gòu)件抵抗破壞的能力）和穩(wěn)定性（構(gòu)件保持原有平衡形式的能力）的問(wèn)題。當(dāng)然也可能由于平常的作業(yè)人員吊箱的過(guò)程中需要反復(fù)使用啟動(dòng)、停止，小車(chē)負(fù)載后的沖擊力，造成應(yīng)力集中使齒輪軸疲勞斷裂。
　　Z關(guān)鍵點(diǎn)還是在于軸的承受能力上。建議對(duì)減速箱現(xiàn)有的300齒輪軸，由實(shí)心軸改造為加強(qiáng)型實(shí)心軸。提高其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，這樣可以達(dá)到想要的結(jié)果，增長(zhǎng)其使用壽命。雖然會(huì)增加減速箱的維修成本，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益上考慮能較大提高減速箱的安全性能和公司生產(chǎn)效益。
　　參考文獻(xiàn)
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　　[2] 李育錫主編.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社.2007.4.
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