李静泽

（沧州黄骅港矿石港务有限公司，河北沧州 061113）

0 引言

在大型机械设备运行过程中，电缆卷筒起到关键作用，能够为设备提供电源、控制电源及信号实施。对于许多重型机械设备，如起重机、装船机等，电缆卷筒控制着设备长距离的行走，对设备电缆进行适当的卷、放操作，保证支持操作的电力具有连续性，整个设备系统也能正常运行。

1 技术优化的必要性

本次研究的设备系统，主要设备有取料机、装船机、皮带机，这些设备的长距离行走均依赖于电缆卷筒装置，且电缆卷筒的有效控制操作还需要结合对应减速器。例如，在将电缆卷取的过程中，其电机会直接输出动力，然后运用减速的部分将卷盘带动起来、收取电缆。在电缆释放过程中电机会输出阻碍力，该作用力结合减速器将拉开卷盘的过程速度放缓，从而确保放缆的同步性特点，在实际停机电机过程中，由于长期堵转的电机具有着制动器装置，因此在断电过程中电缆不会受本身自重的影响，也就不会滑落卷盘。但在实际生产过程中发现，电缆卷筒的减速器装置经常会出现故障，导致整个设备系统难以稳定运行，一些大型设备甚至无法行走，影响实际生产作业，因此需要进行技术优化，确保其效能的发挥。

2 电缆卷筒减速器的结构特征

斗轮堆取料机的电缆卷筒减速器包括蜗杆结构、蜗轮结构、卷筒的连接法兰、弹簧装置、弹簧座结构、摩擦片、调整螺母及调整螺杆等，其中调整螺杆、蜗杆及蜗轮之间有着一定的连接性，调整螺杆的实际螺旋升角会影响蜗轮和蜗杆的单向传动操作，从而形成反向自锁。电缆卷筒轴并没有与蜗轮结构直接联接，通过滚动轴间接实现联动，因此在电机运行时蜗轮无法直接传递输出力矩。而电动卷筒轴会通过螺纹来与调整螺母实现联接，再通过键与两侧的摩擦片实现联接，整体实现一体化的传动。

经过特殊工艺的处理后蜗轮端部表面和摩擦片的表面会形成深度不一的螺纹，在压簧产生压紧作用时这能够让蜗轮的两个端面与摩擦面更加充分地贴合，两者的接触面还会形成一层油膜，进而输出摩擦力矩、调控压簧的实际压紧力。这就相当于调控输出的摩擦力矩，使实际摩擦力矩与负载力矩之间更加协调、匹配。

3 控制电缆卷筒减速器的技术优化

3.1 工作原理

在实际运行工作过程中，电缆卷筒需要控制大型设备的行走，因而在取料机的控制下会形成两种动作，即卷缆动作与放缆动作，因此需要的电缆长度与大型设备行走的路程有关，一般设置为该路程的1/2。在本次研究中，斗轮堆取料机行走的路程约1200 m，而在整个路程中电缆卷筒的回转半径通常是在路程中间位置上处于最大值，而卷缆动作与放缆动作之间的自动化转换主要通过换向器来实现。

（1）卷缆原理。主要是指电机输出力矩来控制蜗杆机构、蜗轮机构以及摩擦制动机构，进而转换为摩擦力矩传递到电缆卷筒的回转轴位置上，带动着卷筒实现卷缆操作。在这一过程中，机械设备大车的行走不断加长，电缆卷起的实际回转半径也会逐渐增大，如果这时蜗轮端面上的摩擦力矩大于卷缆时的负载力矩，则摩擦片不会在蜗轮端面上出现滑动，当电缆卷筒的实际转动角速度不变但其线速度不断增大时，卷缆的半径也会增加，如果该线速度超过了实际设备行走的速度，那么卷缆过程会出现过紧的情况，其拉紧力不断提升，负载力矩也会不断增加，直到超过了摩擦力矩，则摩擦片就会在蜗轮端面上出现相对滑动，这时会消除许多额外的转动，斗轮堆取料机设备的实际行驶速度就会与卷缆速度相匹配。在电机断电以后，斗轮堆取料机设备会停止行驶运动，在反向自锁的作用下其蜗轮机构与蜗杆机构会使外部回转的力矩与传递的摩擦力矩之间形成平衡，从而进一步精准控制制动。

（2）放缆原理。放缆时首先是进行驱动的电机会断电停止作用，然后是蜗轮机构与蜗杆机构进行反向自锁，而这时电缆本身的自重作用影响再加上斗轮堆取料机在行驶时对电缆产生的拉力残留，会进一步促使卷筒轴发生相对力作用，带动着摩擦片与蜗轮端面之间形成了滑动情况，放缆的速度也不会过快，这样能够保持与取料机实际行驶速度相匹配，控制放缆动作。

3.2 故障情况与原因分析

对减速器装置蜗轮机构及蜗杆机构底部的减速器轴承检查发现，轴承出现温度过高的情况且温度升高速度较快，像是当斗轮堆取料机行驶一个垛位（实际长度约50 m）时，轴承的温度已经直接升高至70 ℃，而在这个温度状态工作，轴承就会受到高温影响而出现损坏，如内外圈结构、滚珠及保持架等。如果未能对及时检测并处理这一情况，就有可能导致出现蜗杆下端盖被摩穿的事故，影响减速器整体的运行，不能实现正常的电缆卷放动作，取料机也就无法进行取料。对该减速器装置深入拆卸检查分析发现，蜗杆机构中无论是底部轴承还是上部轴承，均为双列向心球形式结构，同时底部的端盖为蜗杆轴且向定位支撑，其蜗杆和蜗轮均未发生损坏，两者在制造上具有较高的精度。

根据实际损坏情况可以知道，在卷缆作业时蜗杆受到一个较大轴向力的作用，再加上轴承本身的结构形式影响、在轴向上的承载能力比较薄弱，同时其还会受到一个向下的轴向力，因此轴承会在一开始迅速发热，随后会逐渐出现局部构件的磨损，最后损坏整个轴承，进而对该轴承产生支撑作用的下端盖也会出现局部磨损、最终将其磨穿。由此可以判断，在该结构的设计阶段，设计人员可能未考虑轴承会受到向下轴向力的作用，也可能以为这一力不大而被忽视，因此设计形式存在不足，轴承难以满足运行要求。即该轴承在设计或选型方面存在不合理之处，进而影响取料机的工作。

3.3 技术改进方案

电缆卷筒减速器的技术优化改进方案有3 种，应根据实际情况来选择。

3.3.1 克服向下轴向力

该项改进措施最为直接、有效的方式就是更换轴承，选择向心推力型的轴承，这种轴承的特点是能够承受轴向本身的荷载和竖直方向上的荷载，且竖直向上承受荷载的能力大于原轴承。根据竖直方向上荷载的计算结果来设计轴承尺寸，但其多数情况下不符合原安装的尺寸。

3.3.2 更换蜗杆结构

更换新的蜗杆时还需要保证其直径大于原蜗杆尺寸，同时还需满足轴承的安装尺寸要求。更换以后，机体上的轴承孔通常需要重新加工，所以这种改进方案的耗时较长，同时有成本较高、不经济的缺点，且其实际加工过程中的精度也难以控制。

3.3.3 在不改变原结构的基础上实施改进

主要是延长蜗杆机构下端位置尺寸，让其对另一盘向心推力轴承产生辅助作用，当其竖直方向上轴承的载荷无异常时可以只考虑轴向荷载即可。不过改进蜗杆时其长度会增加、结构发生改变，因而安装位置也会发生改变。

具体实施的改造方案为：将蜗杆下端部位置上的螺纹部分连接到一个阶梯轴，在该阶梯轴的下方位置安装一个推力型轴承，轴承座为新的端盖。

实际改造加工的顺序为：根据蜗杆下方外螺纹的形式加工连接阶梯轴的内螺纹，保证两者相匹配、实现有效连接，并且所选阶梯轴的长度与直径应当超出需求标准，留有实际加工空间；在两个轴连接好以后对新的轴承安装位置进行精细加工，主要是保证两个轴的同心度相同；拆除原结构的下端盖，制作出新的端盖和轴承座，再用螺栓孔固定和连接，对原来蜗杆的两个轴承孔进行有效定位；在减速器下箱体的端盖位置加工出一个定位止口（深约1 mm），使其与新的端盖轴承定位孔相匹配，确保其安装后的同心度与蜗杆轴承相统一。

该项改进可以大大降低减速器的故障概率，因此选用这种技术优化方案比较合理。

4 结论

综上所述，某斗轮堆取料机控制电缆卷筒减速器的原轴承设计缺陷导致减速器装置常常会出现故障问题，进而影响取料机的正常工作和生产效率。通过对其故障原因与基本情况的探析，设计了3 种的改进方案，最终确定在不改变原结构的前提下，通过在螺杆下端加新轴承、构建链接轴承的方式进行技术优化，提升设备整体运行的稳定性。