桥式起重机减速器断轴故障分析

摘 要：针对减速器频繁出现的事故，从操作的几种动作入手，进行受力分析，查找断轴原因。

关键词：减速器 断轴 受力

某厂50/10吨桥式起重机大车在使用中频繁出现起动、制动、定位操作，减速器故障严重，在使用中对减速器故障进行统计表明：输出轴断占76.2%、机壳裂占20.5%、其它占4.3%，使用周期最短的尽有10余天。为分析断轴原因，需对该起重机低速传动进行受力分析。

一、联轴器受力分析

该起重机的大车运行机构采用分别驱动（图示一），由于在工作中频繁出现正反运转，特别是实现起动、定位试吊操作过程中，断轴现象时常发生。因此，仅对起动瞬时、起动过程和定位试吊这些工况的主动轮输入端转矩进行分析。

1、起动瞬时输入端转矩

起重机受电动机传递的驱动转矩后运行，当车轮处于开始滚动时的临界状态时，车轮与钢轨接触处除有法向力、静滑动摩擦力外，还有滚动摩擦阻力偶的作用。起重机的受力见图二所示。列出平衡方程：

FZ－FC＝0 （1）

NZ＋NC－G＝0 （2）

式中 FZ 主动车轮静滑动摩擦力

FC 从动车轮静滑动摩擦力

NZ 主动车轮法向反力

NC 从动车轮法向反力

G 起重机满载时总起重量

再分别对2车轮中心取转矩，列出平衡方程为

FZR＋MZ－Tmin=0 （3）

MC－FCR＝0 （4）

式中 MC 从动车轮滚动动摩擦阻力力偶

MZ 主动车轮滚动动摩擦阻力力偶

Tmin 临界状态，主动轮输入端最小转矩

R 车轮半径，R＝400mm

另外由于车轮处于临界状态平衡，故滚动摩擦阻力达到最大值，根据滚动摩擦阻力定律，可列出平衡方程

MZ＝ｆＮＺ （5）

MC＝ｆＮc （6）

式中ｆ 滚动摩擦阻力系数

综合以上各式，可得Tmin＝ｆG，由〔1〕可查出ｆ＝0.09 cm。当起重机满载时G＝G0（吊索具自重）＋G1（载荷），G0＝4.95 t，G1＝48t，故可计算求得Tmin＝467.019N・m

2、起动过程主动轮输入端转矩

起重机起动过程中，取起动时间tq=7.0s应达到最大运行速度v max = 76.84m/min。假设以匀加速形式加速，其平均加速度a=v max /tq=0.18m/s2。起重机起动过程中情况如图三所示，列出平衡方程

FZq－FCq=Ga/g （7）

式中 FZq 起动时主动车轮摩擦力

FCq 起动时从动车轮摩擦力

再分别对主、从动车轮轮心取矩，列出平衡方程

FZqR＋MZ－Tq＝Iε1 （8）

MC－FCqR＝Iε （9）

式中 Tq 起动时，主动轮输入端转矩

ε1 车轮的角加速度，ε1＝a/R=0.45 m/s2

I 车轮绕轴心的转动惯量，I＝31.84kg・m2

综合式（5）~式（9），可得Tq＝G（Ra/g＋f）－2 Iε,将各值代入上式，可得Tq＝6259.548 N・m

3、定位试吊时主动轮输入端转矩

起重机在起吊重物时必须先准确定位，定位时往往需反复多次操作档位，使电动机正反转，在定位时，应先将运行的起重机档位换到“0”位，同时制动使起重机停下，再换档至退位。但操作人员在操作时往往还没有等到起重机停下，就马上将档位换到退位，有时甚至越过“0”位，不经过任何减速过程，直接从进位换到退位。此过程中，起重机所受冲击很大，极易损坏零部件。

通常制动时换挡到“0”位，制动器制动，使起重机在设定的时间t＝5s内停下来。由进位直接打到退位，由于没有经过“0”位，故不是靠制动器制动，而是使电动机的电源反接，这就改变了电动机旋转磁场的方向，由于机械惯性，转速不能突变，电动机的电磁转矩由正变为负，起重机在电磁转矩和负载转矩的共同作用下迅速减速，该起重机制动器的制动力矩为313.6N・.m，电动机的额定转矩为200.63N・.m，当电动机反接制动时，其制动时间

tzd≥1.3×(Q+G)×v÷(60×g P主φ)=3.48s

式中 P主 大车主动轮轮压，P主=G/4

φ 附着系数，φ＝0.15

v 运行速度，取v＝v max

小于制动器的设定时间tz。

假设制动过程是使起重机从最大速度vmax减速至0。则由a2＝0.37 m /s2，图四为反接制动时起重机受力示意图。

列出平衡方程有

FCZ－FZZ＝Ga2/g （10）

式中 FCZ 电动机反接制动时从动车轮的摩擦力

FZZ 电动机反接制动时主动车轮的摩擦力

分别对主、从动车轮轮心取矩，列出平衡方程

FZZR＋MZ＋TZ＝Iε2 （11）

MC－FCZR＝Iε2 （12）

式中 TZ 电动机反接制动过程主动轮输入端转矩

ε2 车轮的角加速度，ε2＝a2/R=0.925 m/s2

综合式（2）、（5）、（6）、（10）、~式（12），可得

TZ＝G（Ra2/g－f）＋2 Iε2

将各值代入上式，可得 TZ＝13911.314 N・.m

以上计算表明，起重机在整个运行过程中，最恶劣的工况是起动过程与试吊定位过程，此过程中大车运行机构的各零部件最有可能损坏。

二、减速器断轴原因分析

大车运行机构减速器的输出轴只承受扭矩，由于支撑车轮的各轴承采用油脂，因素其阻力矩很小，在确定输出轴的扭矩时可忽略不计，故减速器的输出轴所受扭矩Wn可近似等于每个主动轮输入端转矩T。又因大车运行机构采用左、右对称分别驱动的形式，所以每个主动轮转矩T为输入端总转矩的1/2。由于Tmin

（1）起动过程中联轴器的校核

校核公式 τmax=Mnmax/Wn

式中 τmax 最大剪应力

Mnmax 最大扭矩

Wn 抗扭截面模量，Wn＝10.048×104 mm3

[τ] 许用剪应力，[τ]＝40Mpa

把Mnmax＝Tq/2＝3129.774N・.m代入(13)，可得τmax＝31.148Mpa＜[τ]＝40Mpa。

（2）电动机反向制动过程联轴器的校核

将Mnmax＝Tz/2＝6955.657N・m代入式(13)，可得τmax＝69.224 Mpa＞[τ]＝40Mpa。

由上述计算可知，定位试吊电动机反向制动过程为最危险工况。

三、结论

1、减速器输出轴断的原因是：定位试吊电动机反向制动换挡过程，该过程中换档不经“0”位直接换到退位，使得减速器输出轴承受很大的扭矩，造成减速器输出轴断裂。

2、此故障的研究分析对以后的减速器选型及现场设备正确操作具有指导意义，因此在减速器选型时应充分考虑操作中有进位不经“0”位直接换档到退位这一工况。