周仲元 毛加彥 譚康超

寶鋼湛江鋼鐵有限公司

1 引言

夾軌器是一種安裝在戶外移動(dòng)起重機(jī)底部結(jié)構(gòu)，防止起重機(jī)在強(qiáng)風(fēng)作用下沿軌道滑行的安全裝置。大型起重機(jī)或港口用起重機(jī)主要采用自動(dòng)夾軌器，其由重錘或由彈簧力通過(guò)杠桿使夾鉗夾緊軌道，靠夾軌器液壓系統(tǒng)中油缸的頂升力通過(guò)杠桿使夾鉗松開(kāi)。寶鋼湛江鋼鐵散礦碼頭橋式抓斗卸船機(jī)選用的西伯瑞公司瑞馬系列夾緊力為400 kN的彈簧液壓式夾軌器，投用3年后，多臺(tái)夾軌器出現(xiàn)夾鉗打開(kāi)不順暢故障。通過(guò)給夾軌器夾臂轉(zhuǎn)動(dòng)副淋油、調(diào)高系統(tǒng)壓力設(shè)定值等措施，仍無(wú)法根除夾軌器故障，經(jīng)常性報(bào)液壓系統(tǒng)高壓警報(bào)、夾軌器打開(kāi)超時(shí)等故障。夾軌器故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響卸船機(jī)的正常作業(yè)。

2 夾臂轉(zhuǎn)動(dòng)副失效原因分析

為了找到夾軌器功能失效的根源，對(duì)1臺(tái)離線夾軌器進(jìn)行解體分析。解體后發(fā)現(xiàn)，夾臂結(jié)構(gòu)為動(dòng)力臂與阻力臂比例為3∶1的杠桿，夾臂支點(diǎn)銷孔設(shè)計(jì)上無(wú)軸套，其與銷軸直接接觸，轉(zhuǎn)動(dòng)副為干摩擦無(wú)潤(rùn)滑設(shè)計(jì)。夾臂支點(diǎn)銷孔及軸銷表面發(fā)生了一般粘著磨損，銷孔往軸銷間發(fā)生了單向材料轉(zhuǎn)移。粘著磨損導(dǎo)致夾臂支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)副摩擦力增大，造成轉(zhuǎn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)不暢的現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員雖調(diào)高了液壓系統(tǒng)溢流閥設(shè)定值，短時(shí)間內(nèi)讓油缸獲得更大的頂升力，克服了夾臂轉(zhuǎn)動(dòng)副摩擦力過(guò)大造成的咬死問(wèn)題，暫時(shí)性讓夾軌器功能恢復(fù)。但粘著磨損不斷加劇，夾臂銷孔與軸銷之間的摩擦力不斷加大，夾臂轉(zhuǎn)動(dòng)副摩擦力最終超過(guò)了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大輸出壓力值，導(dǎo)致夾軌器功能性失效。

查閱該型號(hào)夾軌器圖紙，其夾臂支點(diǎn)軸銷材質(zhì)為42CrMo，表面布氏硬度值為布氏硬度(HBS100/3000)≤217 HB，夾臂材料為Q345B，表面布氏硬度值為150～170 HB。粘著磨損量一般隨壓力增大而增大，當(dāng)接觸壓力超過(guò)工件布氏硬度的1/3時(shí)，磨損量會(huì)急劇增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)咬死現(xiàn)象。夾臂轉(zhuǎn)動(dòng)副中的夾臂銷孔往軸銷間發(fā)生了單向材料遷移，所以對(duì)夾臂進(jìn)行有限元分析，以探尋轉(zhuǎn)動(dòng)副咬死現(xiàn)象是否由其摩擦面接觸壓力過(guò)大導(dǎo)致的。

3 夾臂結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 分析參數(shù)設(shè)定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪尺寸，通過(guò)Creo Parametric軟件對(duì)夾臂進(jìn)行1∶1尺寸三維建模。其材料為Q345B低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，模型材料定義為“STEEL_LOW_ALLOY”。本分析擬定其夾緊工況下夾臂的應(yīng)力情況，故約束部位有兩個(gè)，設(shè)定銷孔約束類型為銷，設(shè)定夾鉗平面約束為位移約束。夾緊力為400 kN，夾臂的動(dòng)力臂與阻力臂比例為3∶1，故定義力為400/3 kN，動(dòng)力輸入點(diǎn)選夾臂動(dòng)力臂上端部。完成參數(shù)設(shè)定后，在精細(xì)模型里面對(duì)模型創(chuàng)建P網(wǎng)格，因夾臂模型結(jié)構(gòu)單一，采用Auto GEM-實(shí)體指令對(duì)模型網(wǎng)格化。

3.2 靜態(tài)分析

靜態(tài)分析用來(lái)模擬模型結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，根據(jù)約束和載荷條件計(jì)算模型的應(yīng)力和應(yīng)變[1]。對(duì)夾臂模型進(jìn)行靜態(tài)分析，其有限元應(yīng)力云圖及線性化應(yīng)力報(bào)告見(jiàn)圖1。

圖1 銷孔有限元分析結(jié)果

從線性化應(yīng)力報(bào)告可知，銷孔內(nèi)壁最大總應(yīng)力為60.81 MPa：而工件夾臂銷孔表面布氏硬度的1/3約為50～56.67 HB。由此可知，銷孔局部最大接觸應(yīng)力超過(guò)工件夾臂銷孔表面布氏硬度的1/3，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)咬死現(xiàn)象。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，需對(duì)夾臂支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)副進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 優(yōu)化方案

為避免轉(zhuǎn)動(dòng)副(摩擦副)粘著磨損，常見(jiàn)手段有合理選擇配對(duì)材料、工件表面處理、限制摩擦表面的溫度、控制壓強(qiáng)及采用含有油性極壓添加劑的潤(rùn)滑劑等[2]。現(xiàn)對(duì)銷孔加自潤(rùn)滑銅套(合理選擇配對(duì)材料)及銷孔轉(zhuǎn)動(dòng)副加潤(rùn)滑油道(采用極壓潤(rùn)滑劑)兩種優(yōu)化方案進(jìn)行可行性分析。

4.1 銷孔加自潤(rùn)滑銅套

夾臂銷孔由原?90 mm直徑擴(kuò)孔至?110 mm，并在銷孔內(nèi)嵌加壁度10 mm的石墨自潤(rùn)滑鋁青銅套(牌號(hào)QA17)，QA17鋁青銅套有較高的強(qiáng)度及良好的耐磨性能。選用自潤(rùn)滑鋁青銅套不僅改變了夾臂轉(zhuǎn)動(dòng)副的配對(duì)材料，還可以降低轉(zhuǎn)動(dòng)副的摩擦力，避免粘著磨損。此方案涉及到結(jié)構(gòu)改動(dòng)，須對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，確定擴(kuò)孔后夾臂支點(diǎn)銷孔壁滿足強(qiáng)度要求。

按1∶1比例對(duì)修改后的軸套建模，利用裝配功能，將軸套裝配到銷孔內(nèi)部。通過(guò)Simulate模塊內(nèi)的材料庫(kù)，將軸套材料定義為“AL-CU_ALLOY_WROUGHT_HS”。利用精細(xì)模型下的界面指令將軸套與銷孔之間關(guān)系定義為“接觸”，參考模式為“元件”-“元件”。再次對(duì)裝配模型進(jìn)行網(wǎng)格化。執(zhí)行靜態(tài)分析，完成結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 加銅套分析應(yīng)力云圖

從應(yīng)力云圖可知，銅套內(nèi)壁最大應(yīng)力為27 MPa，銷孔內(nèi)壁最大應(yīng)力為37.64 MPa，應(yīng)力皆在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全范圍內(nèi)，故支點(diǎn)銷孔擴(kuò)孔后，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足需求。銷孔內(nèi)加裝自潤(rùn)滑銅套方案可行。

4.2 轉(zhuǎn)動(dòng)副加潤(rùn)滑油道

潤(rùn)滑是減少摩擦副磨損的重要方式之一,潤(rùn)滑狀態(tài)對(duì)粘著磨損值影響較大，邊界膜的強(qiáng)度與潤(rùn)滑劑類型密切相關(guān),若在夾臂轉(zhuǎn)動(dòng)副內(nèi)添加極壓潤(rùn)滑劑,可取得較好的抗粘著磨損效果，為此在轉(zhuǎn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)上加潤(rùn)滑油道。按常規(guī)方案，一般油道設(shè)在銷軸軸芯，但對(duì)象銷軸軸端兩側(cè)皆裝有導(dǎo)靴，沒(méi)有足夠空間安裝加油嘴。因此，考慮在銷孔側(cè)壁開(kāi)注油道，方便日常加油，銷軸表面開(kāi)交叉儲(chǔ)油槽導(dǎo)油(見(jiàn)圖3)。當(dāng)夾臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，銷軸表面的潤(rùn)滑劑可以通過(guò)交叉儲(chǔ)油槽均勻涂抹到銷孔內(nèi)壁。為確保轉(zhuǎn)動(dòng)副內(nèi)部?jī)?chǔ)油效果，將銷孔與銷軸的裝配公差改為C11/h11間隙配合，保證該轉(zhuǎn)動(dòng)副有足夠間隙存儲(chǔ)油脂，并形成可靠油膜。

圖3 銷軸導(dǎo)油槽圖

為了探尋銷孔表面鉆孔后應(yīng)力分布情況，確保結(jié)構(gòu)安全，對(duì)鉆孔后的夾臂進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析。銷孔側(cè)壁鉆孔后的應(yīng)力最大主值范圍向孔部位擴(kuò)移，最大主應(yīng)力值為73.7 MPa，仍在許用應(yīng)力安全范圍內(nèi)。因此，銷孔側(cè)壁加鉆注油道后，強(qiáng)度滿足要求。轉(zhuǎn)動(dòng)副加潤(rùn)滑油道方案可行。

4.3 方案比選

方案一銷孔內(nèi)壁加自潤(rùn)滑銅套可以一勞永逸，實(shí)施后免維護(hù)；但缺點(diǎn)為銅套需定制，備件采購(gòu)周期較長(zhǎng)，且費(fèi)用較高。方案二轉(zhuǎn)動(dòng)副加潤(rùn)滑油道的方案，在維修車間可以完成改造，涉及改動(dòng)小、費(fèi)用低，使用中只需定期往夾臂轉(zhuǎn)動(dòng)副內(nèi)加注極壓MoS2潤(rùn)滑劑即可。結(jié)合湛鋼維修模式特點(diǎn)，綜合考慮后應(yīng)用了方案二。方案實(shí)施后1年多，夾軌器夾臂未發(fā)生過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副咬死失效的故障。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)利用Creo Parametric 5.0軟件對(duì)夾臂三維建模、有限元分析等手段，探尋卸船機(jī)自動(dòng)夾軌器夾臂轉(zhuǎn)動(dòng)副失效的根源，并分別對(duì)銷孔加自潤(rùn)滑銅套及銷孔轉(zhuǎn)動(dòng)副加潤(rùn)滑油道兩種優(yōu)化方案進(jìn)行可行性分析?？蔀樵O(shè)計(jì)廠家、現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員提供一種借助CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),Computer Aided Design)仿真進(jìn)行結(jié)構(gòu)失效根源探尋、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的經(jīng)驗(yàn)借鑒。