螺杆式变幅机构的跑合试验设计

张春林

(南通中远海运船务工程有限公司,江苏 南通 226006)

0 引言

螺杆式变幅机构采用螺杆螺母啮合的作业方式,具有作业平稳、传动效率高、承载力高、生命周期长等优势,目前广泛应用于国防重工、海洋船舶等领域。螺杆式变幅机构能够承受双向力,在有较大传动比的同时,其驱动机构的尺寸和重量相对较小,是一种典型的变幅机构[1]。

深入研究齿轮箱的跑合试验,反复打磨试验方案,对试验方案进行优化,能够提高生产的质量和效率[2]。跑合试验一直与螺杆式变幅机构的运行息息相关,齿轮箱是在陆运交通中常见的传动系统,而在海洋船舶领域,要求传动方式能够契合大幅度变幅收放的工况,一般选择螺杆式变幅机构。早期研究者们多对高速列车齿轮箱进行跑合试验研究。侯有忠[3]分析了齿轮箱中易发生的典型故障,并依托CRH2型动车组进行试验,得到了相关的数据,总结了不同转速振动下的齿轮箱运行状态。仇文凡等[4]等基于齿轮箱跑合试验振动的合格率,对跑合试验方案进行优化,大幅降低了高速列车齿轮箱跑合试验的振动超差率,提高了生产效率。陆会军[5]使用螺杆式变幅机构作为门座起重机的传动系统,解决了漏油问题,延长了产品的生命周期。刘树森[6]设计出了一种变幅螺杆的跑合试车方案,一定程度上解决了螺杆式变幅机构的跑合试验中的问题,为新环境下螺杆式变幅机构跑合试验的设计提供了宝贵经验。

在使用远通浮吊的过程中,臂架会发出低音振动异响。产生异响的原因一般有螺杆磨损及臂架铰座轴承碎裂两种可能。经过检验,铰座轴承并未碎裂,可以初步判定异响源自螺杆式变幅机构。变幅机构产生异响,一般有润滑、装配、碎屑三种原因,因此,需要更换螺杆式变幅机构,并且在安装螺杆螺母前,进行跑合试验[7]。目前,国内已经没有厂家进行跑合试验,这无疑会降低螺杆式变幅机构的技术要求。因此,本文针对传统螺杆式变幅机构跑合试验方案的一些弊病,设计一种新的跑合试验方案,以期跑合试验安全、可靠和有效运行。

1 跑合试验的难点分析

一种典型的螺杆式变幅机构跑合试验的示意图见图1。通过变幅机构推动地面铰支的杆件,实现螺杆的带载跑合。通过验证,发现这一设计存在2个缺陷：

(1)铰支杆件自重有限,变幅机构跑合时带载过小,无法满足实际工程需要。

(2)变幅机构跑合时所受载荷处于变化当中：大幅度时螺杆受拉力最大,螺杆回收过程中受力慢慢变小;跑到中间幅度时,铰支杆件垂直,此时螺杆不受载荷;幅度进一步缩小时,螺杆开始受压力,并且逐步增大,此工况不利于螺杆的均匀跑合。

2 跑合试验的设计及改进

2.1 方案1

研究发现,通过在铰支杆件上悬挂2组配重,能够实现螺杆单次收放受力方向一致,见图2。但是在实际操作过程中,需要操作工人反复对2组配重进行装卸,整体方案效率较低,操作强度较大,因此,需要对当前方案进行改进,降低工人的操作强度。

图1 典型的螺杆式变幅机构跑合试验方案(单位：mm)

图2 螺杆式变幅机构跑合试验方案1(单位：mm)

2.2 方案2

对方案1进行改进,采用配重水平设置法。通过一个带配重的牵引小车,实现螺杆跑合时双向都有受力,能够满足实际需求,见图3。在实际跑合实验中,这种方案的工装比较复杂,整个变幅机构需要安装在一个较高的临时变幅平台上,对操作工人来说,有较大的安全隐患。因此,需要对方案继续改进,以避免安全事故的发生。

图3 螺杆式变幅机构跑合试验方案2(单位：mm)

2.3 方案3

为规避高空作业时的安全隐患,采取地面作业的设计方案。选用滚动摩擦小车,小车的滚动摩擦系数约为0.05,见图4。这种方案,能够满足原定需求,让操作工人在地面进行作业,安全风险大大降低。但是工作时,小车处于自由跑动状态,会大大损耗配重的功效,因此需要对小车的跑动方向进行限制,提出第4种改进方案。

图4 螺杆式变幅机构跑合试验方案3

2.4 方案4

基于前3种方案的设计和改进,并对出现的缺陷进行总结,最终推出了第4种方案：增加了限制小车跑动方向的纠偏装置,使小车始终保持直线跑动,见图5。方案4简单易改造,能够满足螺杆式变幅机构跑合试验的要求,而且操作工人在作业时的风险系数很低,方案确实可行,可以进行试验验证。

图5 螺杆式变幅机构跑合试验方案4(单位：mm)

3 跑合试验的实施及效果

3.1 试验准备

为了模拟出海上浮吊变幅平台上的工作工况,需要准备1套临时电气控制系统和1套临时润滑系统。临时电气控制系统包含单独的电气控制柜,设有启动前进、后退、停止、紧停等功能按钮,并在工装上加装了最小、最大幅度时的减速及极限停止限位,实现整个跑合工况处于安全可控状态。临时润滑系统则完全模拟了浮吊上的加油工况,并且采用透明可视的管路,实时监控油路通畅状况,唯一不足的是只能手动控制油泵开合。

3.2 试验实施及效果

安装螺杆式变幅机构,并移动至浮吊变幅平台,重新设定最小、最大幅度的限位,对原先的润滑管路重新排布,确保润滑管路更加通畅。

首先进行为期2周的带载跑合,然后解体变幅机构,检查整套变幅机构的磨合情况。接着对整套螺杆式变幅机构进行空载试验和重载试验,新的螺杆式变幅机构在作业时已经完全消除了原有的低音振动异响现象。多次试验后,检查润滑系统中的滤油网,发现只有罩壳内部的黄色老化剥落油漆,无铜屑,说明跑合试验的结果非常理想。

4 结论

(1)本文设计了一种带有2组配重的牵引小车,实现螺杆跑合时双向都有受力。选用滚动摩擦式牵引小车,实现地面作业。利用纠偏装置限制小车的跑动方向,使小车始终保持直线跑动,从而使整个跑合试验安全、可靠和有效。

(2)新型跑合试验方案具有以下优点：在跑合试验中螺杆受力均匀,方向一致且连续;螺杆外伸时受压力,收缩时受拉力,往复一个行程可实现螺杆梯形齿牙双面受力,齿牙双面都得到磨合;地面作业,施工流程安全简单,操作人员工作强度低;工装结构简单巧妙,材料成本低廉,可以重复利用废弃材料。

(3)实际使用中消除了低音振动异响,延长了浮吊的使用寿命,也为其他类似的变幅机构的跑合试验提供新的思路。