門機臂架關節軸承損壞原因分析及解決措施

   天津港於1999年底引進了第一台40t-33m特大型門機。該門機不論是整體結構的設計，還是零部件配備、電器控制和節能技術等方面都為當時國內港口最先進的門座式起重機。該機自重430餘噸，吊鉤作業最大提升高度可達軌上28米，抓鬥作業最大提升高度可達軌上18米，變幅幅度為10~33米，額定起重量40噸。
    在該門機四連桿機構的設計中，為了結構緊湊、鵝頭移動保持更好的水平度，設計者為臂架與象鼻樑鉸點選用了GE200ES-2RS型關節軸承。這種軸承具有承載力大、結構簡單、體積小、使用壽命長等特點，門機投入使用初期效果很好。然而，在使用200多小時后，該軸承出現了兩次損壞，嚴重影響了生產作業。本文就故障的分析及解決方法介紹如下。
    一、故障現象及分析
   （一）故障現象。門機在重載變幅動作時,臂架系統發出刺耳的嘯叫聲音，臂架箱體伴隨抖動和共鳴。經過公司和生產廠家技術人員的共同檢查確認，聲音是從臂架關節軸承處發出的。經初步分析，大家認為聲音是關節軸承潤滑不良造成干磨而引起的。
    （二）原因分析。大多數軸承損壞的原因除潤滑不良外，還包括承載能力不足超負荷等外界因素。為此我們從這幾個方面進行了分析：
   1、超負荷：經過計算，該關節軸承部位所承擔的最大負荷約為 1975kN，而該軸承額定承載能力為10600KN。由此可確定，該軸承的損壞與負載過大無關；
   2、非正常衝擊或管理不到位：該門機開始使用至軸承損壞過程中，時間較短，期間沒有出現過可能導致軸承損壞的因素，如非正常衝擊或長時間不予潤滑等情況。由此可以確定，並非意外因素或管理不到位造成軸承損壞；
   3、潤滑情況：門機的潤滑系統採用的是「上海五豐電液成套工程有限公司」設計的干油集中潤滑系統。
   ①系統結構：該系統將門機分為臂架系統（大臂與象鼻樑）、人字架系統、旋轉大軸承三部分進行交替潤滑（每部分有兩個總管路）。此關節軸承為門機大臂與象鼻樑連接鉸點，並與臂架系統其他各鉸點軸承（滾柱式）並聯在臂架系統的兩條輸油總管上。
    ②工作原理：集中潤滑油泵給臂架系統打油時，是按照次序逐個給臂架兩路總管中一側的各點打油，直至此一路所有雙線分配器（注油閥）全部動作到位。同時，該路總管內壓力上升並超過另一路總管5公斤時，兩路總管頭部的壓差開關動作，控制系統自動斷開此路並轉給另一路總管打油，直至此路並聯的各注油點的雙線分配器全部動作為止。該管路壓力上升至兩管路壓差達到5公斤時再次轉回第一路，結束一個循環。這種工作循環直至達到該路潤滑系統設定的工作時間停止。
   從軸承損壞現象和潤滑系統工作原理兩方面分析，可確定主要原因是潤滑不良造成的。
   （三）拆檢分析
   根據上述分析，我們首先對該軸承進行了人工加油。加油后，震動和噪音消失。繼續實驗一小時左右又再次出現異響。我們又對集中潤滑系統進行了仔細檢查，沒有發現異常。然而，在繼續使用后仍然出現震動和噪音，而且沒有減小跡象。為此，我們決定對該軸承進行拆檢分析。
    第一次拆檢：
   1、拆檢后發現，關節軸承外領內壁面在安裝狀態時的下端面有圓弧角為30～40度左右的幾道划痕；
   2、該軸承的軸下端面（在安裝狀態時）有圓弧角為180度左右的磨損痕迹，沿軸向形成突肩。磨損區寬度與關節軸承內領寬度相同，突肩最大高度約為3～4mm。
   根據以上現象和對軸承及軸體潤滑孔道結構進行的分析，初步認為造成磨損的原因有三個：
   第一、軸承及軸體油路本身有缺陷，造成潤滑脂難以到達承壓面（軸承及軸結構見圖1）；

圖1

   第二、加油時間過短，潤滑不夠充分；
   第三、在安裝時軸體孔道內未做徹底清理，留有加工殘留物。
   根據以上情況，我們採取了如下措施：
   首先、對軸進行修復和清洗，更換新軸承；
   其次、要求門機司機作業中每隔8小時加一次油。
   採取以上措施工作幾十小時后，再次出現了干磨異響現象。為此，又進行了第二次拆檢。
   第二次拆檢：
   這次檢查結果與上次完全相同。通過仔細分析我們發現：
   1、關節軸承內外領承壓面幾乎沒有潤滑脂，而在非承壓面卻有較多油脂並從非承壓面最上端溢出軸承。說明油脂在進入軸承承壓面前就已經被擠出軸承；
    2、在軸承內領與軸的上端面之間有很多油脂。
   經過分析圖紙我們還發現，該軸承外徑加工尺寸為200h7,與關節軸承內領為負偏差。從拆檢結果我們斷定，損壞過程如下：
   在潤滑系統工作時，潤滑脂沿油道進入關節軸承內油槽后，大部分進入非承壓面，並從軸承兩端溢出。僅有極少量油脂進入承壓面內的油槽（軸承油槽結構見圖2），但因承壓很大、間隙過小，無法均勻分佈到摩擦面，所以首先造成局部干磨，當溫度較高時出現軸承內外領「抱死」現象。

   圖2
   當關節軸承「抱死」后，由於軸承內領與軸之間為負偏差配合，油脂從軸上的出口進入軸與軸承內領之間空隙，從而造成軸與軸承內領之間形成「軸承」的現象。由於軸上油槽與軸承內外領之間油槽相同，且僅是沿徑向圓周有一道10mm寬的油槽，在滑動過程中不能充分分佈油膜，造成軸的磨損。當磨損到一定程度時，金屬屑進入摩擦面使磨損加劇，產生劇烈震動和噪音。
   二、解決措施
   （一）措施
   1、修改軸承油道。鑒於軸承油槽結構難以將油脂均勻分佈，我們對新軸承進行了修改，即沿軸承軸向在軸承外領內表面，均勻加工出6道寬4mm深2~3mm的油槽與其原有的徑向油槽相通，使油脂能更加容易地進入承壓面區域（見圖3）；

圖3 軸承外領油槽改造示意圖

   2、加大軸徑公差，增大軸的摩擦阻力。將軸重新加工，使其與軸承內領之間為過盈配合，公差為+1，使油脂難以進入內領與軸接觸面，增大摩擦阻力；
    3、設置獨立潤滑系統。由於頻繁使用集中潤滑系統加油，造成臂架其他鉸點軸承油脂過多，既造成不必要的浪費，又造成設備的污染。為此，我們為關節軸承重新安裝了一個獨立的手動潤滑裝置，與集中潤滑系統管路斷開。要求每班次作業中由司機進行一次3~5分鐘的加油。
   （二）效果
   通過採取以上措施，該軸承工作正常，臂架系統工作十分平穩，異響和震動全部消失。該門機運行至今已連續使用兩年多，作業量累計達200多萬噸，沒有出現任何異常。2001年，我公司新定購併投入使用的40t—33m門機（4#門機），在圖紙審核中我們借鑒了改造經驗，對原設計進行了修改，實際應用效果良好。該項故障的解決也為天津港其他公司購置同類大型門機以及生產廠家完善設計積累了很好的經驗。