姚天富 哲江龙 扬 民 孙龙强 张从留

宁夏天地奔牛银起设备有限公司 银川 750021

0 引言

球铰式卷筒联轴器是起重机起升机构的减速器与卷筒连接的常用部件之一，但常因卷筒联轴器相包容的内外球面制造精度低、内外球面间局部没有润滑油、减速器输出轴与卷筒轴同轴度偏差大等因素，造成使用过程中产生异常响声，进而引起卷筒联轴器和减速器输出轴磨损、使用寿命和安全性能降低等问题。

荣文达[1]采用修复卷筒联轴器的球面加工误差的方法消除其异常响声。本文采用调整减速器输出轴与卷筒轴同轴度的方法消除卷筒联轴器异常响声。

1 故障现象

某钢厂1台四梁四轨双小车铸造起重机，其主起升机构采用双电动机+整体大减速器+双卷筒的结构形式，减速器的下箱体与小车架焊为一体，卷筒采用焊接式短轴结构，减速器的输出轴与卷筒采用球铰式卷筒联轴器连接。

该起重机从安装后投入使用2 a多，主起升机构无论起升或下降、空载或重载、快速或慢速，2卷筒联轴器安装处均会发出异常响声。前期，只是一侧（南侧）的异常响声较另外一侧（北侧）的大，异常响声为周期性“哐当”声，到了后期，南侧的又多了周期性、似木头被压劈时的“吱吱”声。

维护人员判断异常响声是卷筒联轴器质量问题，更换不同品牌后异常响声虽有所减小，但未能彻底消除；而后判断规格选型偏小，更换了更大规格的卷筒联轴器，异常响声仍未消除。

前期拆开的卷筒联轴器发现内外球面局部没有润滑油，内外球面局部出现胶合磨损和擦伤磨损，如图1～图3所示。后期拆下南侧卷筒联轴器发现减速器输出轴外花键和轴肩部位出现微动磨损，见图4和图5。

图1 球面局部没有润滑油

图2 球面局部呈现胶合磨损

图3 球面局部呈现擦伤磨损

图4 花键呈现微动磨损

图5 轴肩呈现微动磨损

2 球铰式卷筒联轴器的工作原理

球铰式卷筒联轴器由外球壳、内球体、键等组成，如图6所示。外球壳设有异形法兰，异形法兰有2个平行的平面，相当于键的作用，内球体设有花键孔和2个圆柱孔，外球壳和内球体以包容式球面接触，键的形状是长方体和圆柱体的组合，键的长方体与外球壳上的键槽配合，键的圆柱体插入内球体的圆柱孔内，外球壳和内球体可以球心为中心点相对转动。

图6 球铰式卷筒联轴器

卷筒联轴器与卷筒连接如图7所示。减速器输出轴与卷筒联轴器的内球体通过花键副连接，卷筒联轴器的外球壳上的异形法兰与中间法兰通过螺栓轴向连接，异形法兰的2个平行的平面镶嵌在中间法兰的矩形槽中，中间法兰与卷筒法兰再通过螺栓连接，卷筒承受的径向载荷由减速器输出轴上的2阶梯轴承担，卷筒承受的扭矩由卷筒联轴器上的2平面传递后再传递给减速器输出轴上的花键，即花键副只传递扭矩，不承受径向载荷。

图7 卷筒联轴器与卷筒的连接

卷筒的支撑设计成一端固定，另外一端游动。轴端挡板限制卷筒联轴器的轴向位移，卷筒另外一端其轴承两端面留有3～5 mm的间隙，可轴向移动。由于采用了球铰式卷筒联轴器，卷筒轴相对于减速器输出轴可偏斜3°，方便了卷筒的安装和拆卸。

3 原因分析

造成卷筒联轴器异常响声可能有：1）减速器输出轴与卷筒轴的同轴度误差；2）球面之间的润滑状态，即是否能形成润滑油膜；3）相包容的内外球面尺寸、形位误差和粗糙度；4）卷筒联轴器所承担的载荷大小；5）中间法兰的刚度、卷筒体的刚度等。

由于卷筒采用短轴式结构，为表述准确，定义卷筒轴为以卷筒轴承座中的调心轴承的中心点与卷筒联轴器内外球中心点的连线为轴线的假想轴。

当减速器输出轴与卷筒轴的同轴度误差为0时，即安装精度达到理想状态，卷筒联轴器的内外球面之间不会发生相对滑动，也不会产生周期性响声，否则，内外球面之间将产生相对滑动。然而，实际卷筒安装不可能达到理想状态，卷筒轴线与减速器输出轴轴线有交角α，由于内球体的旋转轴线为减速器输出轴轴线，外球壳的旋转轴线为卷筒轴轴线，在卷筒旋转时，内球体和外球壳上任意接触点，其运动轨迹均是分别位于2平面内的一圆形曲线，这2平面垂直于各自的旋转轴线，如图8所示，接触点相对滑动的最大轨迹有3种情况：

1）2接触点均绕球心旋转，接触点滑移最大轨迹；

2）接触点仅有1点绕球心旋转，接触点滑移最大轨迹；

3）2接触点均不绕球心旋转，接触点滑移最大轨迹。

在自重载荷和钢丝绳拉力作用下，卷筒联轴器相互接触的球面仅在上半部分承受径向载荷，若内外球面的尺寸和位置精度低，则卷筒的径向载荷仅有1或几个接触点承受。在接触点润滑不良，同时卷筒旋转使接触点产生相对滑动趋势时，接触点的静摩擦力引起卷筒联轴器外球壳及其连接中间法兰板变形。卷筒继续旋转，当接触点旋转到下部时，接触点即分开，亦或旋转过程中静摩擦力达到最大值后突然减小，变成滑动摩擦力时，卷筒联轴器外球壳及其连接中间法兰板变形由大变小，从而产生响声。

接触点的相对滑动和周期性接触、分开以及其间润滑不良是产生周期性异常响声的根源，也是相包容的内外球面出现不同程度磨损（胶合磨损和擦伤磨损）的根本原因。

由于南侧卷筒异常响声较北侧大，其摩擦力也大，在摩擦力的水平分力周期性作用下，固定南侧卷筒联轴器轴向位移的螺栓断裂。而维护人员未能及时拆开重新更换固定，致使卷筒联轴器与减速器输出轴产生循环的微幅相对轴向滑动，异常响声也由前期仅是“哐当”声，变为后期又多了似木头被压劈“吱吱”声，长时间的轴向滑动，外花键和轴肩部位呈现微动磨损。

4 同轴度检测

由于主梁有拱度，且卷筒轴线平行于主梁长度方向，再加上减速器分箱面是否平行于车轮踏面所构成的平面等原因叠加，仅凭检测卷筒面上2点的高低差或减速器输出轴与卷筒轴各1点的高低差，调整减速器输出轴与卷筒轴同轴度的方法不可取。而检测减速器输出轴和卷筒轴相对于某一基线的偏斜程度，再调整卷筒轴的偏斜程度相对简单。

1）测量高低差 首先，拆掉2卷筒轴承座的上座，用外卡钳和直尺测量轴承外径、减速器输出轴轴径和闷盖外径并记录。其次，将水准仪架在减速器上箱体中间部位，将水准尺分别竖立在减速器闷盖最高点（A点）、输出轴最高点（B点）和卷筒轴承外径最高点（D点），读取并记录这3点水准尺的读数，见图9和表1，闷盖外径φA=560 mm，输出轴径φB=300 mm，轴承外径φD=360 mm。

图9 A、B、D三点高度测量

2）测量水平偏差 测量中间法兰与减速器箱体之间的水平距离d1和d2，位置为减速器分箱面处且靠近中间法兰外圆100 mm处，见图10和表1。

表1 测量数据 mm

图10 水平偏斜测量

5 同轴度计算

将A点、B点、D点转化到轴心上，如图11所示，推导出卷筒轴在铅锤平面内的偏斜距离为

图11 铅锤面内偏斜距离

如图12所示，推导出卷筒轴在水平平面内的偏斜距离为减速器输出轴与卷筒轴的夹角为

图12 水平面内偏斜距离

根据式（1）～式（3）和表2数据，卷筒偏斜程度计算如表3所示。南侧卷筒轴与减速器输出轴的同轴度误差较北侧的大，解释了南侧卷筒异响声音较北侧大的原因。

表2 查阅图纸获得数据 mm

表3 卷筒偏斜程度计算结果

6 同轴度调整

根据计算结果，需降低两卷筒轴承座高度并向南移动。重新制造2个稍矮的卷筒轴承座、2组调整垫、2组螺栓连接用垫圈。因卷筒轴承座的底座与小车架焊接一体，为减少现场工作量，卷筒轴承座的底座不动，以加大卷筒轴承座的螺栓孔实现水平移动卷筒轴承座。

重新更换两卷筒轴承座并调整。将南侧卷筒轴承座降低43 mm，向南水平移动6 mm，北侧卷筒轴承座降低17 mm，向南水平移动3 mm后，空载和负载运行起升机构，卷筒异常响声彻底消失。

7 结论

减速器输出轴与卷筒轴同轴度超差是造成卷筒联轴器周期性异响的主要原因；球铰式卷筒联轴器选型手册给出的偏斜角度3°是拆卸和安装角度，并非使用时的角度，建议使用时的偏斜角度应不超过7′，即卷筒轴相对于减速器输出轴斜度不超过2‰；建议卷筒联轴器制造商检测内外球面接触率，使其达到60%～70%，以降低使用时对同轴度的要求。