某臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)車(chē)輪打滑原因分析及解決方案

尚力陽(yáng)，張智勇，季艷茹，呂志斌

(黃河水利委員會(huì)黃河機(jī)械廠，鄭州 450006)

0 引言

臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)是水利水電工程中的一種常用起重機(jī)械，多用于控制閘門(mén)、攔污柵，實(shí)現(xiàn)水工機(jī)械設(shè)備的升降［1］。在實(shí)際應(yīng)用中，受水工建筑物沉降、車(chē)輪組制造安裝誤差及臺(tái)車(chē)運(yùn)行軌道安裝誤差等多種因素影響，啟閉機(jī)的輪子踏面會(huì)出現(xiàn)與軌道不能充分接觸的情況，特別是當(dāng)從動(dòng)輪組較多時(shí)，制造安裝精度不能保證所有車(chē)輪踏面都處在一個(gè)平面上。主動(dòng)輪與軌道不能有效接觸，當(dāng)所承受的靜載荷變小時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪所受摩擦力降低，就會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。本文針對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)研究，結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，探索了一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有效的輔助行走裝置。

1 項(xiàng)目背景

在某水利工程金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)個(gè)別臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)行走時(shí)出現(xiàn)車(chē)輪打滑的現(xiàn)象，空載時(shí)尤為突出，嚴(yán)重影響了啟閉機(jī)的正常運(yùn)行，在一定程度上影響了工程的正常運(yùn)行和應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的響應(yīng)速度，因此，解決臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)車(chē)輪打滑問(wèn)題十分必要。

本文涉及的臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)位于該水利工程某進(jìn)口檢修閘，該臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)主要由起升機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、臺(tái)車(chē)架、軌道附件、電纜卷筒、抓梁、梯子等組成［2］。其中起升機(jī)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)為:額定起重量，2 ×250 kN;起升速度，1．71 m/min;揚(yáng)程，12 m。運(yùn)行機(jī)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)為:行走吊重，2×150 kN;行走速度，15．0 m/min;軌距，2．7 m;輪距，2．24/0．94/2．24 m;車(chē)輪直徑，400 mm;機(jī)構(gòu)工作級(jí)別，Q2;三合一減速電機(jī)，GKA87。

2 故障排查及原因分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)了解和查看故障記錄，發(fā)現(xiàn)該臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)在空車(chē)運(yùn)行時(shí)打滑現(xiàn)象較頻繁。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，空車(chē)運(yùn)行時(shí)平均每10 m打滑4次，打滑時(shí)需要借助外力(如人工推或用撬棒)才能夠繼續(xù)行走。在吊起閘門(mén)時(shí)，打滑現(xiàn)象明顯減少，平均每5 m打滑1次。

2．1 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式

行走機(jī)構(gòu)主要包括行走支撐裝置、行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及夾軌器、緩沖器等附屬裝置。行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度為1．7 ～17．0 m/min，質(zhì)量為 1 941 kg，軌距為2700 mm。車(chē)輪直徑為400 mm，共8個(gè)車(chē)輪，主動(dòng)輪2個(gè)，軌道型號(hào)為P43。

2．2 車(chē)輪檢查

(1)車(chē)輪踏面磨損未超過(guò)輪圈厚度的25%，車(chē)輪踏面無(wú)凹陷、氣孔、砂眼等缺陷。

(2)車(chē)輪輪緣磨損未超過(guò)原厚度的50%。

(3)車(chē)輪表面未發(fā)現(xiàn)局部裂紋。

(4)軸承內(nèi)外環(huán)及珠架均無(wú)裂紋，液珠表面正常無(wú)蛻皮。

經(jīng)檢查，車(chē)輪質(zhì)量合格。

2．3 軌道檢測(cè)

(1)用小錘敲擊軌道緊固螺栓，無(wú)松動(dòng);檢查永久性固定焊縫，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

(2)檢查軌道表面。用鋼板尺放置于軌道表面，用塞尺檢測(cè)鋼板尺與軌道之間的間隙值，均在±1．00 mm誤差范圍內(nèi)。

(3)檢查打滑處軌道與輪子間隙。所有打滑位置的主動(dòng)輪與軌道間均有0．15～2．00 mm的間隙。

(4)檢查軌道接頭處沉降及錯(cuò)位，測(cè)量尺寸在允差范圍內(nèi)［3］。

經(jīng)檢查，軌道質(zhì)量符合技術(shù)要求。

2．4 臺(tái)車(chē)車(chē)輪靜壓力分析

臺(tái)車(chē)質(zhì)量為23884 kg，額定起重量為500 kN，行走吊重為300 kN，每個(gè)輪子承受的載荷為29．75～92．25 kN?？哲?chē)運(yùn)行時(shí)單個(gè)輪子承受的載荷小，打滑現(xiàn)象頻繁;負(fù)載運(yùn)行時(shí)單個(gè)輪子承受的載荷大，打滑現(xiàn)象明顯減少。

現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果顯示，車(chē)輪組及軌道不是造成車(chē)輪打滑的主要原因。通過(guò)分析臺(tái)車(chē)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，初步判定該臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)車(chē)輪組在安裝時(shí)沒(méi)有保留一定的調(diào)整空間，運(yùn)行過(guò)程中車(chē)輪不能根據(jù)軌道公差范圍內(nèi)的不平度進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，輪對(duì)與軌道接觸存在過(guò)定位，個(gè)別輪子踏面與軌道支承面“接觸不良”，造成輪壓不足，從而出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

3 解決方案

根據(jù)以上分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，采用在主動(dòng)輪裝置及軌道旁增設(shè)一套齒圈齒條機(jī)構(gòu)的方案，以解決臺(tái)車(chē)打滑問(wèn)題(如圖1所示)。該方案是將設(shè)計(jì)的齒圈固定在主動(dòng)輪的外側(cè)，與主動(dòng)輪同心同軸，齒條在軌道旁布設(shè)并與齒圈相嚙合。當(dāng)2個(gè)主動(dòng)輪不能同時(shí)接觸軌道時(shí)，通過(guò)齒圈齒條的嚙合，實(shí)現(xiàn)啟閉機(jī)的正常行走。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、便于維修。

為便于安裝和維護(hù)，齒輪采用分節(jié)制造，在不拆卸主動(dòng)車(chē)輪組的情況下可完成安裝和更換;齒條設(shè)計(jì)主要考慮安裝方便和制造成本，采用非金屬材料為基體進(jìn)行加工制造。為驗(yàn)證鋼齒圈與聚苯醚(PPO)齒條的嚙合性能，建立數(shù)字模型并進(jìn)行分析驗(yàn)算。

3．1 齒輪受力分析

開(kāi)式齒輪傳動(dòng)的主要失效形式是磨損，往往由于齒面過(guò)度磨損或輪齒磨薄后彎曲折斷而失效，因此，采用降低許用應(yīng)力的方法，按齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，不必驗(yàn)算接觸強(qiáng)度。齒輪齒條有側(cè)隙和頂隙，車(chē)輪承受的載荷可由軌道承擔(dān)，齒輪齒條只提供水平方向輔助動(dòng)力。

圖1 輔助行走裝置布設(shè)方式示意Fig．1 Schematic of the layout of auxiliary walking device

齒圈做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，齒條做直線運(yùn)動(dòng)，齒條可以看作齒數(shù)無(wú)窮多的齒圈的一部分，這時(shí)齒圈的各圓均變?yōu)橹本€，作為齒廓曲線的漸開(kāi)線也變?yōu)橹本€。齒條直線的速度v(mm/s)與齒圈分度圓直徑d(mm)、轉(zhuǎn)速n(r/min)之間的關(guān)系為［4］v= πdn/60。

嚙合線與齒圈的基圓相切，由于齒條的基圓無(wú)窮大，所以嚙合線與齒條基圓的切點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處。齒圈與齒條嚙合時(shí)，不論安裝是否標(biāo)準(zhǔn)(齒圈與齒條安裝的標(biāo)準(zhǔn)為齒圈的分度圓與齒條的分度圓相切)，其嚙合角恒等于齒圈分度圓壓力角，也等于齒條的齒形角，齒圈的節(jié)圓也恒與分度圓重合;只是在非標(biāo)準(zhǔn)安裝時(shí)，齒條的節(jié)線與分度線不再重合［5］。

齒面嚙合強(qiáng)度較小，在此忽略不計(jì)，只計(jì)算齒根彎曲應(yīng)力。根據(jù)齒圈齒條彎曲應(yīng)力計(jì)算公式，得到齒根最大彎曲應(yīng)力為45 MPa。根據(jù)齒圈齒條材料、載荷、尺寸等參數(shù)建立模型進(jìn)行有限元分析，在齒圈上施加約束模擬實(shí)際情況(如圖2所示)，結(jié)果表明:齒圈和齒條的齒根應(yīng)力相對(duì)較小，齒圈的嚙合強(qiáng)度滿足要求。

3．2 齒條的材料選擇

臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)自身質(zhì)量大，緊急停車(chē)時(shí)會(huì)形成較大的沖擊力，如果選擇剛性齒圈齒條裝置，將會(huì)出現(xiàn)碰齒、齒圈折斷等情況，因此選擇PPO工程塑料材質(zhì)以增加其韌性。

PPO具有優(yōu)良的綜合性能，在長(zhǎng)期低負(fù)荷下具有優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性和突出的電絕緣性，可在－127～121℃范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用。具有優(yōu)良的耐水、耐蒸汽性能，較高的拉伸強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度，較好的抗蠕變性、耐磨性及介電性能，在機(jī)電工程中運(yùn)用廣泛。

圖2 齒圈受力分析Fig．2 Ring gear force analysis

4 安裝方案設(shè)計(jì)

安裝過(guò)程中，為了降低施工難度，將齒圈平均分成3等份。大齒圈找正時(shí)通常等分18個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并借助安裝工具對(duì)大齒圈進(jìn)行精細(xì)找正;借助百分表并通過(guò)旋轉(zhuǎn)主動(dòng)輪來(lái)測(cè)量大齒圈18個(gè)等分測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)(即大齒圈的外圓徑向、軸向跳動(dòng)值和主動(dòng)輪的竄移量);根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)調(diào)校大齒圈，直至齒圈外圓徑向跳動(dòng)公差≤1．5 mm，軸向跳動(dòng)公差≤1．0 mm，達(dá)到合格要求。

齒條部分安裝在啟閉機(jī)軌道一側(cè)，通過(guò)螺栓與混凝土預(yù)制梁固定。為了進(jìn)行水平方向的調(diào)整，軌道壓板上的孔通常做成長(zhǎng)孔，可在鋼軌下加調(diào)整墊板，實(shí)現(xiàn)垂直方向的調(diào)整，檢查合格后，利用軌道下支承板用螺栓將齒條固定。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)存在的打滑問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)車(chē)輪輔助運(yùn)行機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有安裝方便、操控簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，具有一定的通用性，可為水利水電工程臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)運(yùn)行維護(hù)及檢修改造提供參考。