皮帶式升降機驅(qū)動電機失效分析

陳 亮

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

0 引言

皮帶式常溫升降機是汽車整車廠生產(chǎn)線常用的一種輸送設(shè)備。但近年，上汽大眾汽車三廠老油漆車間數(shù)次發(fā)生升降機減速箱驅(qū)動軸斷裂事故。采取多種措施未能有效杜絕此類事件的發(fā)生，對此進行分析與探討。

1 故障簡述

1.1 故障現(xiàn)象

上汽大眾汽車三廠老油漆車間多次發(fā)生常溫升降機在生產(chǎn)過程中承載的車身從高處墜落事件，給安全和生產(chǎn)進度帶來嚴重影響。事后檢查發(fā)現(xiàn)，故障升降機驅(qū)動裝置內(nèi)減速機失效，驅(qū)動端減速電機輸出軸折斷（圖1）。

圖1 減速電機失效形式

1.2 常溫升降機結(jié)構(gòu)

皮帶式升降機是汽車制造工廠（特別是油漆車間）常用的一種物流輸送設(shè)備。其結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、故障率低，設(shè)備外形如圖2所示。安裝在頂部的減速電機驅(qū)動滾筒正反旋轉(zhuǎn)，通過摩擦力帶動皮帶兩端的配重和接車機構(gòu)在2個方向進行高低位置切換。

圖2 皮帶式升降機

1.3 斷面分析

圖1為減速箱輸出軸折斷的典型斷面。端口表面基本平整，呈明顯的星行鋸齒狀，斷裂部位發(fā)生在輸出軸軸肩處，認為是在雙向扭轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)疲勞，首先在表面多個點產(chǎn)生微裂紋，然后沿最大切應(yīng)力方向擴展，形成鋸齒狀斷口?？梢钥隙?，疲勞斷裂是減速箱輸出軸折斷的根本原因。一般來說，疲勞失效的原因有4種：①正常使用下達到使用壽命；②負載過大引起早期疲勞斷裂；③使用條件不當，包括頻繁受到?jīng)_擊、安裝精度差等產(chǎn)生附加應(yīng)力；④輸出軸材料以及加工缺陷。

由于升降機在使用過程中發(fā)生數(shù)次折斷事故，可以排除輸出軸材料缺陷引起的失效。導(dǎo)致輸出軸數(shù)次失效原因是升降機負載或者沖擊的變化造成的疲勞斷裂。

2 原因分析

2.1 規(guī)律統(tǒng)計

2.1.1 同類設(shè)備橫向比較和統(tǒng)計規(guī)律

車間共有常溫升降機10臺。表1是對10臺升降機負載屬性及故障分布的統(tǒng)計（升降機驅(qū)動裝置和結(jié)構(gòu)幾乎一致）。

表1 升降機負載及故障分布橫向?qū)Ρ?/p>

表1說明故障發(fā)生較為頻繁，不是偶然因素引起。且故障全部集中于載車升降機上，而載雪橇的升級機除了發(fā)生信號混亂等電氣故障，從未發(fā)生過減速箱輸出軸折斷的現(xiàn)象。

由于常溫升降機使用相同的驅(qū)動裝置，包括減速箱和電機，差別在于負載和配重的重量。初步結(jié)論是載車升降機過載導(dǎo)致輸出軸折斷，即載車的4個升降機的驅(qū)動裝置負載選型過小。分析重點是驅(qū)動電機的容量或選型。

2.1.2 類似設(shè)備的縱向比較

D107，D606，EL902，EL989 以及新車間常溫升降機是其他車間使用的升降機。由于負載、升降方法相同，表2對故障升降機，D107，D606，EL902，EL989以及新車間常溫升降機減速電機的選型進行對比。其中減速箱型號：SEW公司產(chǎn)品編號，一般數(shù)值越大，負載容量越大。減速箱輸出軸直徑是減速箱最大載荷的最重要指標。

表2 升降機性能參數(shù)縱向?qū)Ρ?/p>

通過相同工況，不同容量的升降機縱向?qū)Ρ?，故障升降機的電機容量明顯處于劣勢。需要進一步校核以確定其能否滿足生產(chǎn)要求。

2.2 負載校核

2.2.1 負載模型

對升降機驅(qū)動裝置進行簡化，建立計算模型（圖3）。

在減速電機選型時一般要考慮電機功率和輸出轉(zhuǎn)矩2個參數(shù)，故校核分為電機功率校核和轉(zhuǎn)矩校核。由于升降機采用配重提升的結(jié)構(gòu)算法比較復(fù)雜，采用一種簡單的估算方法。即，克服凈重量，電機需要的功率和轉(zhuǎn)矩。

2.2.2 工況分析（表3）

圖3 升降機計算模型

表3 升降機工況參數(shù)

計算結(jié)果：上行程雪橇升降機凈重228 kg，載車升降機凈重412 kg；下行程雪橇升降機凈重22 kg，載車升降機凈重278 kg。計算結(jié)果表明，載車時升降機需要克服412 kg凈重量，遠大于其他情況。所以雪橇升降機相對不易發(fā)生失效事故。

由于車間同時生產(chǎn)3種車型，相對帕薩特362 kg、明銳371 kg，途安440 kg可能超過設(shè)計范圍。因此只需校核載車升降機負載途安車型的工況即可。

2.2.3 扭矩校核

（1）升降機基本參數(shù)見表4，電機參數(shù)見表5，系統(tǒng)效率見表6。

表4 升降機基本參數(shù)

表5 電機參數(shù)

表6 系統(tǒng)效率

（2）力矩計算。經(jīng)計算得出，驅(qū)動帶輪軸轉(zhuǎn)速 25.46 r/min，滿載滑架阻力20.85 kg，空載滑架阻力13.95 kg，滿載上升驅(qū)動力298.85 kg，滿載下降驅(qū)動力-257.15 kg，空載上升驅(qū)動力-398.05 kg，空載下降驅(qū)動力425.98 kg，圈筒軸驅(qū)動力矩676.23 N·m。

（3）凈功率計算。計算得出電機靜功率1.92 kW。

（4）校核。功率校核：功率計算采用了相對簡單的靜態(tài)功率計算方法，結(jié)論是計算負載稍大于額定功率（電機靜功率1.92kW＞電機額定1.8 kW）。但由于升降機屬于S3斷續(xù)周期工作制，允許一定的過載情況。故認為電機功率可接受，但這樣的選型并不符合一般的工程要求。

扭矩校核：扭矩校核時需要引進SEW公司重要的使用系數(shù)Fb，該使用系數(shù)取決于停止／起動頻率、負載的變化次數(shù)，慣性加速系數(shù)和每日運行時間等。選型時，減速器的許用輸出轉(zhuǎn)矩必須≥計算轉(zhuǎn)矩。

實際使用系數(shù)Fb實際=減速機最大允許輸出扭矩／實際負載扭矩=1.04。

理論使用系數(shù)Fb理論=Fb×Fb1×Fb2=1.57，其中Fb是SEW手冊使用系數(shù)，查SEW手冊可得，F(xiàn)b1是環(huán)境溫度使用系數(shù)，環(huán)境溫度27℃，F(xiàn)b2是工作制使用系數(shù)，取值0.95。

（5）結(jié)論。靜功率和扭矩校核數(shù)據(jù)都顯示目前使用的減速電機型號，功率和扭矩都無法達到一般的工程要求，即設(shè)計余量過小或稱沒有余量。此外，車間使用的是雙速電機，雙速電機在快慢速切換時產(chǎn)生較大的沖擊，同樣考慮摩擦力的情況下，當8極變2極時，負載扭矩保持約676 N·m，而電機扭矩變成2極額定扭矩的約1/4，從而產(chǎn)生507 N·m的沖擊扭矩對減速機軸產(chǎn)生較大影響。

2.3 SEW推薦值

SEW公司建議一般在提升機構(gòu)中，減速機的服務(wù)系數(shù)＞1.4，而該機構(gòu)減速機的實際服務(wù)系數(shù)在1.1以下，不建議采用。

3 結(jié)論

（1）沖擊和過載是減速箱輸出軸斷裂的主要原因。而安裝精度不佳等因素引起了減速箱附加載荷。輸出軸反復(fù)受到交變應(yīng)力的作用，導(dǎo)致疲勞強度的降低，引起原有小缺陷的延伸，擴展成疲勞缺陷，在表面產(chǎn)生疲勞裂紋，最終導(dǎo)致早期疲勞斷裂。

（2）選用減速電機容量過小是發(fā)生過載和沖擊破壞的根本原因。

（3）必須對升降機減速箱進行容量升級，否則無法避免事故發(fā)生。

4 改進措施

增大減速電機容量，提供更多設(shè)計余量是最可靠的解決方案。本課題中，除了升級電機功率，更應(yīng)升級減速箱容量。通過重新選型，確定減速電機型號R87DV112M4/BMG/HR/TH，功率4 kW，F(xiàn)b服務(wù)系數(shù)1.4。

升級控制方式，使用變頻器控制升降機的快慢速，使升降機加減速更加平順，避免雙速電機的巨大沖擊。

5 改進效果

改進措施實施后，升降機驅(qū)動端減速電機輸出軸折斷問題得到解決。由于使用更符合現(xiàn)場工況的減速電機、更改了控制方式（變頻器控制），升降機運行更加安全平穩(wěn)。同時由于負載能力的提升，為以后車間更重、更大的新車型投產(chǎn)做好了相應(yīng)的準備。