大型门式起重机开式齿轮传动系统振动原因分析

刘宝军

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

随着造船市场迅猛发展，造船周期越来越短，对造船用大型门式起重机的使用要求越来越高，除了安全可靠外，还要求效率高，故障率低。但是在实际使用过程中，由于门式起重机起升机构中，开式齿轮传动系统的振动，而引发的停机事故频频发生，不但降低了生产效率，而且存在巨大的安全隐患。

1 案例状况

某造船用门式起重机有3 套主起升机构，其中上小车为1#和2#起升机构，额定吊载均为450 t，下小车为3#起升机构，额定吊载500 t。满载最大起升速度为3 m/min，空载最大起升速度为9 m/min。开式齿轮传动系统中大齿轮直径为2 330 mm，总质量约3 t，小齿轮直径为420 mm，总质量约0.3 t。大齿轮与卷筒用螺栓连接，小齿轮为齿轮轴，布置形式如图1所示。2008年5月，该门式起重机2#起升机构出现振动情况，噪音很大，被迫停机检修。

图1 开式齿轮布置形式

2 设备振动检测依据的标准

振动检测诊断依据的国际标准为“ISO 10816/3机械振动——在非旋转部件上测量和评定机器振动”，并根据设备的具体功率、转速等参数，确定设备检测的振动标准，见表1。

表1 设备振动状态分类

3 振动检测数据

检测点布置如图2 所示，各测量点均为轴承位置，分别测量水平方向和竖直方向的振动，测得的振动数据见表2。

图2 检测点位置

表2 设备振动数据

从表2 的数据可以看出，各个测量点的数据均超出规定值，设备的运行状态综合评价为D（不可接受）。

4 原因分析

根据现场的振动情况，对检测数据进行分析，引起振动的主要原因，有如下几个方面：

（1）开式齿轮啮合不良，是导致系统振动的直接原因。

首先，从现场情况看，大、小齿轮齿面均严重磨损，在啮合线附近形成大面积凹坑（见图3 和图4），齿廓曲线已非渐开线型，大、小齿轮的齿廓曲线不能形成共轭关系，导致啮合不良。

图3 大齿轮齿面磨损情况

图4 小齿轮齿面磨损情况

其次，大、小齿轮的支承底座的刚度不足，起升系统吊载后，在大、小齿轮啮合点处形成一对作用力和反作用力（F大和F小，见图5），其水平方向分力FH大和FH小相互背离，在其作用下，支承底座产生变形，使大、小齿轮的中心距变大。

根据齿轮计算公式：

齿距p=π m，

标准中心距a=m（z1+z2）/2，

推导出p=2πa/（z1+z2）。

中心距增大，导致齿距增大，在齿厚不能增加的情况下（实际上由于磨损，齿厚是减小的），齿轮侧隙增大，远超规定侧隙，导致齿轮啮合不良。

图5 大小齿轮啮合面处受力示意图

（2）开式齿轮支承系统的固有频率，与开式齿轮的啮合频率接近，导致整个传动系统发生共振，将由于开式齿轮啮合不良而产生的振动，进行了放大。

（3）起升减速箱与开式齿轮传动系统中的小齿轮刚性连接，小齿轮的齿轮轴作为减速箱低速端的输出轴，减速箱的振动频率和开式齿轮的振动频率直接相互影响及相会传递，对开式齿轮传动系统的振动起到了诱发与放大的作用。

5 整改措施

（1）重新制作大、小齿轮，齿轮的加工精度由9级提高至7 级，并对大、小齿轮的齿面进行修缘、修形处理，提高啮合精度。

（2）对传动系统支承底座进行加强，增加其水平方向的刚度，保证在受载状态下，大、小齿轮的中心距变化在设计误差范围以内。

（3）采用开式齿轮专用润滑剂，改善开式齿轮啮合面的润滑条件，形成油膜保护，防止齿面产生啃蚀等破坏性磨损，保证开式齿轮良好的啮合状态。

通过采取以上措施，该起升机构中开式齿轮传动系统运行状况良好，达到了预期的效果。

6 结束语

经过对上述实例的分析与研究，为了保证大型门式起重机起升机构中开式齿轮传动系统的平稳运行，建议采取如下措施：

一是保证系统支承底座有足够的刚度，并使支承底座的固有频率避开开式齿轮的啮合频率；

二是相应提高开式齿轮的制造精度，对齿轮进行修缘、修形处理，保证齿轮啮合平稳；

三是优化起升系统的布置形式，开式齿轮和减速箱之间应采用联轴节连接，避免减速箱振动频率和开式齿轮啮合频率之间的相互影响；

四是提高开式齿轮的定位、安装精度，以保证齿轮啮合精度；

五是在设备使用过程中，应采用开式齿轮专用润滑剂，始终保证齿轮啮合面处于良好的润滑状态。

[1]单冬敏，王铁山. 起重机开式齿轮振动原因分折与预防措施[J].起重运输机械，2005，（10）：53-55.

[2]夏 瑜.重型开式齿轮润滑应用浅谈[A].2009中国水泥技术年会暨第十一届全国水泥技术交流大会论文集[C]. 重庆：中国硅酸盐学会, 2009,234-243.

[3]吴秀娥，张 岩.修形重载低速开式齿轮的设计计算[J].机械传动，2004，（05）：29-32.

[4]成大先. 机械设计手册（第五版）第3 卷[M]. 北京：化学工业出版社，2008.