大型门机回转支承断齿故障的设计缺陷有限元分析研究

发布时间：2020-03-19 00:25

【摘要】：门座起重机(以下简称“门机”)是广泛应用于港口、船厂等场所的典型回转类起重机,主要用于完成货物的搬运和装卸作业。回转支承是连接门机回转及非回转部分的关键结构,其重要性不言而喻。经过调研发现我国各港口大型门机回转支承在设计寿命之前,其大齿圈就产生了普遍性断齿现象,断齿率高达30%左右,导致回转支承失效,维修成本和经济损失巨大。产生此类失效问题的门机主要参数为:额定起重量40~60t,最大幅度38~45m,起升高度40m以上。该类门机大批量出现相似性失效现象,可以排除由设备不良作业工况的因素造成,应该从设计、制造及安装等方面寻找失效原因。通过分析门机设计过程,发现传统方法是把回转支承所受的载荷,转化为当量轴向载荷及当量倾覆力矩,再依据承载能力曲线图对回转支承进行选型。这种设计并未对回转支承轮齿间的相对位移进行计算,该位移会造成驱动小齿轮与回转支承大齿圈的轴线不平行,影响轮齿间的啮合关系,从而引起大齿圈断齿故障。在安装回转驱动机构时,制造企业根据空载状态下保证小齿轮与大齿圈的啮合关系,而在额载状态下,小齿轮产生相对位移,造成轮齿间不良啮合,这也是引起断齿的原因之一。本文以MQ4038型门机为研究对象,对回转支承大齿圈断齿故障原因进行分析研究。该类门机圆筒结构较高,采用三排滚柱式回转支承。通过建立转台结构、回转支承及圆筒结构装配体有限元模型,分析小齿轮与大齿圈相对位移关系及大齿圈轮齿受力性质。在额载工况下,小齿轮与大齿圈的相对位移使二者轴线产生夹角,引起大齿圈啮合处轮齿挤压现象,长期的挤压会加速轮齿疲劳,造成大齿圈轮齿断裂。采用动态数据采集仪和电阻应变仪,分别对小齿轮与大齿圈位移、圆筒结构应力进行试验验证分析,试验结果与有限元分析结果相吻合。为了减少轮齿间的相对位移,提出两种改善方案,一是采用有限元Design Exploration模块,对圆筒结构刚度进行改善设计,改善后,保证了轮齿间的良好啮合关系;二是通过额载工况下小齿轮轮齿上下端面位移偏差值与标准规定的齿侧间隙值进行比对,来量化确定小齿轮与大齿圈的啮合关系,达到小齿轮的正确装配目的。本文主要研究成果如下:(1)提出了大型门机回转支承设计选型后,在额载工况下,对小齿轮与大齿圈之间的相对位移进行有限元建模计算,确定轮齿啮合关系;(2)根据有限元分析齿轮间相对位移结果,提出了圆筒结构刚度校核设计方法,实现轮齿良好啮合;(3)在回转驱动小齿轮安装时,提出了应该根据额载工况下的位移值来量化确定小齿轮与大齿圈的啮合关系,进行合理安装。
【图文】：

门机,转柱式,大型轴承

图 1-1 转柱式门机与大型轴承式门机门机在我国的发展速度较快，但是在门机的设计和制造方面，我国仍然有较大的提升空间。国外门机设计生产厂家中，比较有名的有马尼托瓦克、日本神钢集团、特雷克斯一德等，国外门机产品型号种类较多，技术成熟，满足了门机大吨位、安全可靠、性能稳定等要求，设备制造精度较高，因此在市场上有较高的占有率，门机设计水平值得我国借鉴和学习。我国起重机械设备发展迅速，门机的发展时间较短。国内具有起重机设计制造资质的单位有上千个，比较有代表性的企业有：上海振华重工、南京港机厂、武汉理工大学港机研究所等。在小型起重机械的设计上，，我国已达世界先进水平，但在大型起重机械的研发设计上，我国仍需不断提高整机的设计制造精度和可靠性[3]。1.1.2 研究背景及研究意义（1）研究背景

回转支承,门机,位置,大齿圈

图 1-2 门机回转支承位置型港口门机回转支承主要采用三排滚柱式，其主要结构圈和三排滚柱。其中内圈通过螺栓与回转部分的转台连通过螺栓固定在非回转部分的圆筒法兰盘上[6]，其传动机，通过回转电机、联轴器、减速器、小齿轮对驱动力的轮与大齿圈开始啮合，从而实现门机回转结构 360°的门机非回转部分相连接，因此其位置相对固定。回转电机联轴器减速器大齿圈轮齿I
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U653.921

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