下旋转电磁挂梁起重机旋转机构减速器壳体破裂分析及对策

【摘 要】针对我公司为邯钢、重钢、凌钢等多家钢厂承制的多部下旋转电磁挂梁起重机的旋转机构三合一减速器，安装法兰盘及壳体出现不同程度破裂现象，通过对减速器输出轴承受工作载荷和冲击载荷的受力及减速器壳体破裂处强度的分析，提出引发减速器壳体破裂的因素，并制定完善改进对策，彻底消除故障现象。

【关键词】建筑机械；旋转机构减速器；壳体破裂；载荷分析；复杂应力状态

0 引言

下旋转电磁挂梁、夹钳冶金起重机是炼钢厂连铸连扎跨上板坯搬运、堆垛作业的关键设备，整机工作级别极高属超重级，工作强度极大几乎是24小时连续作业，邯钢16+16吨、重钢40+40吨、凌钢20+20吨不同规格的下旋转电磁吊在使用几个月之后，都先后出现了旋转机构三合一减速器安装法兰盘或壳体下部破裂的现象，更换上新的减速器，在使用大约三个多月或半年之后又出现破裂现象。为保证设备安全运行，查明引发破裂的原因，我们既从理论上分析，又在现场进行了参数测量。

1 旋转机构的结构形式

下旋转电磁挂梁起重机旋转挂梁的典型机构型式如图1所示：

图1

它是由固定挂梁、回转支承、旋转挂梁、电磁盘四大部分组成。固定挂梁上部靠起升机构绳系与起重机上部小车的起升机构的卷筒相连，下部通过回转支承与旋转挂梁相连，而电磁盘是则挂在旋转挂梁上的。起重机小车起升机构起升卷筒正反转动通过小车上和固定挂梁上滑轮组及钢丝绳组成的绳系完成整个旋转电磁挂梁及工件的上、下垂直运动。而旋转电磁挂梁的回转运动是靠旋转机构完成对，旋转机构是由一台（两台）三合一行星摆线针轮减速器上安装的小齿轮驱动大外齿回转支承（012.45.1400），回转支承带动旋转挂梁转动来完成挂梁及电磁吸盘下的钢坯、型钢或线棒材往复回转运动的。挂梁回转速度通常为：0.8～1.5r/min；回转范围为：0～180度。

旋转机构三合一减速器结构形式：

旋转机构减速器通常采用进口（如SEW或弗兰德）或国产三合一减速器，它的电机部分采用自带制动且带手动释放功能的鼠笼电机，电源380V，50Hz，功率通常为1.5～4.4 kW，转速1400r/min；减速器为双极行星摆线针轮减速器，速比通常在80～130内。

2 壳体破裂产生原因分析

2.1 壳体破裂部位

通过我们在不同事故现场的观察，各家下旋转电磁挂梁起重机减速器壳体破裂的部位，几乎都是在行星减速器连接法兰以上低级部分行星轮运行腔体外壳处（如图所示区域），个别也有连接法兰盘连接螺栓孔处破裂的。

2.2 工作状态分析

旋转机构部件在设计选型时，考虑到该种类起重机工作级超重级（A7以上），作业率极高，几乎是24小时全天候工作，现场作业在起吊钢坯、型钢或线棒材时，理论上需要起重机驾驶室内的司机和地面指挥人员的相互配合，但现场实际操作时往往仅凭驾驶员根据观察和感觉进行吸吊，如果磁盘中心与重物重心偏斜太多，则挂梁出现歪斜现象较频繁。同时旋转机构在大、小车运行中同步工作，平均每个作业循环旋转机构的旋转率大于80%，因此，从电机功率、减速器输出扭矩、小齿轮强度到回转支承承载能力均留有足够的安全裕度。只是对三合一旋转电机设计要求软起动鼠笼电机，而实际使用的三合一减速器电机均为普通鼠笼式制动电机。

2.3 壳体破裂原因分析

现场首先对回转机构齿轮副工作间隙，即外啮合的小齿轮与回转支承大齿轮啮合处的齿侧间隙，进行了测量和调整，齿侧间隙合适，均在0.5mm～1mm之间，齿轮系啮合良好，齿面未出现严重磨损现象，不存在由于齿轮制造误差和回转支承的弹性变形可能引起齿轮卡死现象。因此可以排除因齿轮副啮合方面存在啮合死角造成减速器输出轴径向载荷过大的因素。

该类起重机工作状态特殊，旋转挂梁要在工作中满载状态下不停反复回转，调整角度，这完全靠三合一减速器旋转电机的不停地起、制动，换向后再突然起、制动来完成，由于鼠笼电机起、制动力矩很大，产生了很大的冲击载荷，再加上旋转挂梁电磁吸盘下的钢坯多为长度在6～12m的数根并排的长钢坯，在回转过程中突然起、制动时产生的惯性力矩就十分巨大，而且磁盘吸钢坯时出现歪斜现象频繁致使挂梁产生倾斜力矩都全部作用在减速器输出轴上，再由圆柱出轴倒传给摆线轮，摆线轮传给针齿销，再通过针齿套最后作用在针齿壳上，对针齿壳产生一个很大的径向冲击力，这个径向冲击力直接作用在行星轮腔体内壁上，由于行星减速器壳体材料多为铸铁件，它的承载强度本身就不高，承载能力弱，而且铸造壳体内部多数隐藏着不被发现的铸造缺陷，当它承受的载荷远远超过它的强度承受范围时，便在此处产生破裂。因此，冲击载荷是造成减速器壳体破裂的关键因素。

另外，三合一减速器与固定挂梁的连接是采用法兰盘止口定位后，通过高强螺栓连接的。由于惯性载荷产生的径向载荷很大，必然会引起减速器法兰盘与固定挂梁结合面的相对位移和晃动，再加上输出轴端的力和力矩本身是脉动的，而摆线轮对输出轴的作用力是变化的，因此就使得减速器法兰盘相对于固定挂梁止口结合面会产生一个交变位移，也就是对连接高强螺栓产生一个剪切力，会对连接螺栓起到破坏作用，同时由于反作用力，由于个别连接法兰盘厚度偏薄，其强度降低，连接螺栓孔中心离法兰盘边缘较近，使得螺栓孔壁较薄，因此会造成该处破裂，也就是我们前面提到的个别减速器法兰盘破裂现象产生的原因。

3 完善对策

针对上述原因，我们将旋转三合一减速器上的普通电机改为变频调速电机，相应的普通电气控制改为变频器PLC控制。由于变频电机调速性能好，能够实现平滑的无级变速，可在整个调速范围内连续控制，起、制动平稳，实现真正意义上的软起动，彻底消除由电机起动力矩突增带来的冲击性载荷，极大地改善了减速器出轴上的受力状况，使得困扰我们的减速器壳体破裂问题迎刃而解。通常，在这类旋转电磁挂梁起重机在设计时，我们会把起升机构和大、小车运行机构均设计成变频控制，而唯一忽略了旋转机构变频控制的必要性，采用普通控制，也就是旋转机构不是变频调速。事实证明，恰恰是这一点出了问题，今后再设计此类起重机时，一定要按全变频控制设计。

同时值得一提的是，现场对小齿轮与回转支承的安装精度及齿轮副的齿轮啮合间隙的调整，也要经常检查，严格保证，同时，尽量避免吸吊钢坯时歪斜现象的出现，对设备的稳定性都有很大的好处，也同样应该引起我们足够的重视。

另外，在选择国产行星摆线针轮减速器时，应注意其自身的产品质量，尤其是减速器壳体的强度和刚度以及连接法兰盘的厚度都应有严格的保证。

我公司先后对上述几家单位的下旋转电磁挂梁起重机进行了现场改制，改制后平稳运行一年多来均未再出现旋转机构减速器壳体破裂的现象。

【参考文献】

[1]陈道南，盛汉中.起重机课程设计[M].2版.北京：冶金工业出版社，2000.

[2]张质文，虞和谦，王金诺，等.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2001.

[3]齿轮手册编委会.齿轮手册：上册[M].2版.北京：机械工业出版社，2000.

[责任编辑：许丽]

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