夹轨器夹臂转动副优化方案

周仲元 毛加彦 谭康超

宝钢湛江钢铁有限公司

1 引言

夹轨器是一种安装在户外移动起重机底部结构，防止起重机在强风作用下沿轨道滑行的安全装置。大型起重机或港口用起重机主要采用自动夹轨器，其由重锤或由弹簧力通过杠杆使夹钳夹紧轨道，靠夹轨器液压系统中油缸的顶升力通过杠杆使夹钳松开。宝钢湛江钢铁散矿码头桥式抓斗卸船机选用的西伯瑞公司瑞马系列夹紧力为400 kN的弹簧液压式夹轨器，投用3年后，多台夹轨器出现夹钳打开不顺畅故障。通过给夹轨器夹臂转动副淋油、调高系统压力设定值等措施，仍无法根除夹轨器故障，经常性报液压系统高压警报、夹轨器打开超时等故障。夹轨器故障频发，严重影响卸船机的正常作业。

2 夹臂转动副失效原因分析

为了找到夹轨器功能失效的根源，对1台离线夹轨器进行解体分析。解体后发现，夹臂结构为动力臂与阻力臂比例为3∶1的杠杆，夹臂支点销孔设计上无轴套，其与销轴直接接触，转动副为干摩擦无润滑设计。夹臂支点销孔及轴销表面发生了一般粘着磨损，销孔往轴销间发生了单向材料转移。粘着磨损导致夹臂支点转动副摩擦力增大，造成转动副运动不畅的现象。现场维护人员虽调高了液压系统溢流阀设定值，短时间内让油缸获得更大的顶升力，克服了夹臂转动副摩擦力过大造成的咬死问题，暂时性让夹轨器功能恢复。但粘着磨损不断加剧，夹臂销孔与轴销之间的摩擦力不断加大，夹臂转动副摩擦力最终超过了液压系统设计最大输出压力值，导致夹轨器功能性失效。

查阅该型号夹轨器图纸，其夹臂支点轴销材质为42CrMo，表面布氏硬度值为布氏硬度(HBS100/3000)≤217 HB，夹臂材料为Q345B，表面布氏硬度值为150～170 HB。粘着磨损量一般随压力增大而增大，当接触压力超过工件布氏硬度的1/3时，磨损量会急剧增加，严重时会出现咬死现象。夹臂转动副中的夹臂销孔往轴销间发生了单向材料迁移，所以对夹臂进行有限元分析，以探寻转动副咬死现象是否由其摩擦面接触压力过大导致的。

3 夹臂结构有限元分析

3.1 分析参数设定

根据现场测绘尺寸，通过Creo Parametric软件对夹臂进行1∶1尺寸三维建模。其材料为Q345B低合金高强度结构钢，模型材料定义为“STEEL_LOW_ALLOY”。本分析拟定其夹紧工况下夹臂的应力情况，故约束部位有两个，设定销孔约束类型为销，设定夹钳平面约束为位移约束。夹紧力为400 kN，夹臂的动力臂与阻力臂比例为3∶1，故定义力为400/3 kN，动力输入点选夹臂动力臂上端部。完成参数设定后，在精细模型里面对模型创建P网格，因夹臂模型结构单一，采用Auto GEM-实体指令对模型网格化。

3.2 静态分析

静态分析用来模拟模型结构的刚度和强度，根据约束和载荷条件计算模型的应力和应变[1]。对夹臂模型进行静态分析，其有限元应力云图及线性化应力报告见图1。

图1 销孔有限元分析结果

从线性化应力报告可知，销孔内壁最大总应力为60.81 MPa：而工件夹臂销孔表面布氏硬度的1/3约为50～56.67 HB。由此可知，销孔局部最大接触应力超过工件夹臂销孔表面布氏硬度的1/3，严重时会出现咬死现象。其结构设计存在缺陷，需对夹臂支点转动副进行优化设计。

4 优化方案

为避免转动副(摩擦副)粘着磨损，常见手段有合理选择配对材料、工件表面处理、限制摩擦表面的温度、控制压强及采用含有油性极压添加剂的润滑剂等[2]。现对销孔加自润滑铜套(合理选择配对材料)及销孔转动副加润滑油道(采用极压润滑剂)两种优化方案进行可行性分析。

4.1 销孔加自润滑铜套

夹臂销孔由原∅90 mm直径扩孔至∅110 mm，并在销孔内嵌加壁度10 mm的石墨自润滑铝青铜套(牌号QA17)，QA17铝青铜套有较高的强度及良好的耐磨性能。选用自润滑铝青铜套不仅改变了夹臂转动副的配对材料，还可以降低转动副的摩擦力，避免粘着磨损。此方案涉及到结构改动，须对其结构进行静态应力分析，确定扩孔后夹臂支点销孔壁满足强度要求。

按1∶1比例对修改后的轴套建模，利用装配功能，将轴套装配到销孔内部。通过Simulate模块内的材料库，将轴套材料定义为“AL-CU_ALLOY_WROUGHT_HS”。利用精细模型下的界面指令将轴套与销孔之间关系定义为“接触”，参考模式为“元件”-“元件”。再次对装配模型进行网格化。执行静态分析，完成结果见图2。

图2 加铜套分析应力云图

从应力云图可知，铜套内壁最大应力为27 MPa，销孔内壁最大应力为37.64 MPa，应力皆在结构强度安全范围内，故支点销孔扩孔后，结构强度满足需求。销孔内加装自润滑铜套方案可行。

4.2 转动副加润滑油道

润滑是减少摩擦副磨损的重要方式之一,润滑状态对粘着磨损值影响较大，边界膜的强度与润滑剂类型密切相关,若在夹臂转动副内添加极压润滑剂,可取得较好的抗粘着磨损效果，为此在转动副结构上加润滑油道。按常规方案，一般油道设在销轴轴芯，但对象销轴轴端两侧皆装有导靴，没有足够空间安装加油嘴。因此，考虑在销孔侧壁开注油道，方便日常加油，销轴表面开交叉储油槽导油(见图3)。当夹臂转动时，销轴表面的润滑剂可以通过交叉储油槽均匀涂抹到销孔内壁。为确保转动副内部储油效果，将销孔与销轴的装配公差改为C11/h11间隙配合，保证该转动副有足够间隙存储油脂，并形成可靠油膜。

图3 销轴导油槽图

为了探寻销孔表面钻孔后应力分布情况，确保结构安全，对钻孔后的夹臂进行静态应力分析。销孔侧壁钻孔后的应力最大主值范围向孔部位扩移，最大主应力值为73.7 MPa，仍在许用应力安全范围内。因此，销孔侧壁加钻注油道后，强度满足要求。转动副加润滑油道方案可行。

4.3 方案比选

方案一销孔内壁加自润滑铜套可以一劳永逸，实施后免维护；但缺点为铜套需定制，备件采购周期较长，且费用较高。方案二转动副加润滑油道的方案，在维修车间可以完成改造，涉及改动小、费用低，使用中只需定期往夹臂转动副内加注极压MoS2润滑剂即可。结合湛钢维修模式特点，综合考虑后应用了方案二。方案实施后1年多，夹轨器夹臂未发生过转动副咬死失效的故障。

5 结语

通过利用Creo Parametric 5.0软件对夹臂三维建模、有限元分析等手段，探寻卸船机自动夹轨器夹臂转动副失效的根源，并分别对销孔加自润滑铜套及销孔转动副加润滑油道两种优化方案进行可行性分析。可为设计厂家、现场技术人员提供一种借助CAD(计算机辅助设计,Computer Aided Design)仿真进行结构失效根源探寻、结构设计优化的经验借鉴。