蘇文勝^1,2　薛志鋼^1,2　熊立斌^1,2　李云飛^1,2

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院　無錫，214174；2.國家橋門式起重機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心　無錫，214174）

摘　要：S區(qū)是大型回轉(zhuǎn)支承不可避免的軟肋，該區(qū)是回轉(zhuǎn)支承Z為薄弱的區(qū)域，一旦該區(qū)處理不當會造成回轉(zhuǎn)支承滾道剝落，并且隨著回轉(zhuǎn)支承的運行剝落的鐵屑會散布整個軌道，進而引起軌道的整體剝落。文中以某在用回轉(zhuǎn)支承為例，在現(xiàn)場采集故障回轉(zhuǎn)支承的振動信號，并對信號進行時域統(tǒng)計分析，預(yù)測了故障的存在，并對該回轉(zhuǎn)支承進行拆解，驗證了預(yù)測的正確性，通過對軌道硬度測試分析了產(chǎn)生的原因。

關(guān)鍵詞：門座起重機；回轉(zhuǎn)支承；軟帶區(qū)；故障

0　引言

大型回轉(zhuǎn)支承是工業(yè)大型設(shè)備關(guān)鍵零部件之一，回轉(zhuǎn)主要依靠內(nèi)部滾柱/ 滾珠在軌道的滾道實現(xiàn)的，在滾柱/ 滾珠和滾道接觸方式是通過線- 面、點- 面接觸，在接觸位置會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，由此對滾柱/滾珠和軌道都有嚴格的加工工藝要求，一般的加工工序為鍛造→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→精加工→滾道面火焰表面淬火→滾道面磨削等工序，其中熱處理是重要的加工工藝，通過熱處理能提高材料的機械性能，同時釋放加工過程中的殘余應(yīng)力。在熱處理工程中，加熱火焰噴槍和水槍安裝在一起，繞著回轉(zhuǎn)支承軌道做圓周運動，但是，在運動接近360°之前要停止熱處理工藝，因為熱工藝處理區(qū)域不能重疊，一旦重疊會使工件產(chǎn)生裂紋, 由此回轉(zhuǎn)支承內(nèi)外圈必有一段區(qū)域未經(jīng)過熱處理，該區(qū)域成為軟帶區(qū)，一般軟帶的寬帶為15 mm，并有S 標志。在回轉(zhuǎn)支承安裝過程中要求軟帶區(qū)必須安裝在非主要的承載區(qū)域，一般要求將回轉(zhuǎn)支承的軟帶區(qū)安裝在垂直于俯仰動面投影線的位置。軟帶區(qū)的存在給回轉(zhuǎn)支承的安裝和使用都有一定的影響，有些學(xué)者提出了無軟帶區(qū)的熱加工工藝，但是目前該方法還處在概念設(shè)計階段，還沒有進入詳細設(shè)計階段，更沒有相應(yīng)的熱處理設(shè)備。該方法與傳統(tǒng)的熱處理工藝相比加工成本比較高，并且針對不同直徑的回轉(zhuǎn)支承需要更換不同的種類的感應(yīng)器，進一步加劇了加工成本。有些學(xué)者對挖掘機上的回轉(zhuǎn)支承軟帶裂紋進行了分析，該裂紋產(chǎn)生在熱處理的過渡區(qū)，通過分析發(fā)現(xiàn)該裂紋產(chǎn)生的原因是軟帶區(qū)承載后的承載失效產(chǎn)生的裂紋，并給出了預(yù)防軟帶區(qū)產(chǎn)生裂紋的建議。目前對于起重機上大型回轉(zhuǎn)支承的有關(guān)軟帶研究的論文還很少見，本文從某大型門座起重機回轉(zhuǎn)支承的故障進行分析，對該回轉(zhuǎn)支承的故障進行了預(yù)測，并對其進行拆機驗證，通過硬度測試探討了產(chǎn)生缺陷的原因。

1　回轉(zhuǎn)支承

該回轉(zhuǎn)支承位于某港口起重量為16 t 的門座起重機上?；剞D(zhuǎn)支承的型號為132.45.28000.03，外圈被固定在轉(zhuǎn)筒上，內(nèi)圈和上部轉(zhuǎn)臺連接，驅(qū)動機構(gòu)固定在上部轉(zhuǎn)臺上，通過外圈上的角齒驅(qū)動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，2 個驅(qū)動機構(gòu)沿回轉(zhuǎn)支承徑向方向布置在回轉(zhuǎn)支承的兩側(cè)，當起重機開始工作時，2 套驅(qū)動機構(gòu)在各自電機的驅(qū)動下同時運轉(zhuǎn)，使起重機做回轉(zhuǎn)動作，其回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為0.25 r/min。隨著回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)，內(nèi)圈經(jīng)過外圈的某兩個區(qū)域時產(chǎn)生異響，并且產(chǎn)生異響的位置在外圈的某個固定的區(qū)域。采集內(nèi)圈上的振動信號，如圖1、圖2 所示。

由此可知該設(shè)備在外圈的某些區(qū)域振動較大。對振動信號進行統(tǒng)計分析，在正常情況下，加速度采集的信號是隨機的，其振動信號副值接近正態(tài)分布，但是一旦產(chǎn)生故障，如剝落、點蝕坑、壓痕、擦傷等，就會引起沖擊，較大的振動幅值信號就會增加，在概率密度上表現(xiàn)出其幅度正態(tài)分布廣、分布兩邊尾巴翹起的現(xiàn)象。通過對加速度信號的分析得到其概率密度函數(shù)，如圖3、圖4 所示。

利用對振動的時域特征對回轉(zhuǎn)支承的故障預(yù)測是一種常用且有效的方法，許多學(xué)者利用該方法成功地對故障進行了預(yù)測。通過對比發(fā)現(xiàn)振動信號的概率分布明顯偏離正態(tài)分布，說明該回轉(zhuǎn)支承存在故障的可能性極大。

計算兩個方向振動信號相應(yīng)的時域特征值，如表1 所示。按照滾動軸承判定標準，峰值因子大于1.5 時，可?認為軸承出現(xiàn)故障。對于正態(tài)分布而言峭度系數(shù)為3，當存在故障時，振動副值較大信號的概率密度增加，導(dǎo)致信號副值分布偏離正態(tài)分布，故障越嚴重其偏離程度越大，如果峭度系數(shù)大于8，則認為設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)了較為嚴重的故障。由表1 ?據(jù)可知，該回轉(zhuǎn)支承存在故障的可能性極大。

2　回轉(zhuǎn)支承拆機驗證

對故障的回轉(zhuǎn)支承進行拆解，通過對拆解后的回轉(zhuǎn)支承進行現(xiàn)場拆解，拆解后發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承外圈和內(nèi)圈均有不同程度的壓痕，回轉(zhuǎn)支承內(nèi)外圈故障點如圖5 所示。其中圖5 中的1、2 是外圈，3、4 是內(nèi)圈。1、3、4 是回轉(zhuǎn)支承S 區(qū)的損傷圖，1、4 都有不同程度的壓痕和表皮脫落現(xiàn)象，S 區(qū)中3 位置的損傷Z為嚴重，出現(xiàn)較為明顯的擠壓變形，并且在壓痕邊緣有明顯的有明顯的材料擠出現(xiàn)象。2 位置在距離S 區(qū)64 cm 處的外圈上，出現(xiàn)損傷帶的長度大概為80 cm，該損傷區(qū)域的表皮全部脫落，在表面出現(xiàn)Z大深度為3 mm 的剝落坑，并且在滾道的其他區(qū)域存在不同程度的壓痕，而在滾柱表面出現(xiàn)輕微的壓痕。

回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈和外圈S 區(qū)都有不同程度的損傷，其中內(nèi)圈上排滾道出現(xiàn)較為嚴重擠壓，分別對回轉(zhuǎn)支承的缺陷位置和完好位置進行硬度測試，各點的硬度(HRC) 如表2 所示。

一般要求滾道淬火后的表面下3~4 mm 的硬度保持45~65 HRC 范圍，通過測試發(fā)現(xiàn)正常區(qū)域的硬度基本符合要求，但是在S 區(qū)的損傷區(qū)域硬度差別較大，Z大和Z小相差40 HRC，有些區(qū)域HRC 硬度無法測試( ≤ 20HRC)，出現(xiàn)差別的原因可能是回轉(zhuǎn)支承滾柱和滾道之間局部擠壓力過大，隨著旋轉(zhuǎn)滾柱往復(fù)的擠壓作用使?jié)L道產(chǎn)生局部接觸疲勞，首先在滾道表層下產(chǎn)生微裂紋，繼而引發(fā)滾道表皮的脫落；另一方面，由于滾道和滾柱屬于線面接觸，在接觸位置有較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且相對于滾柱滾道硬度較小，擠壓凸起部分及剝落鐵屑散布的區(qū)域，在滾柱的進一步擠壓作用下，又會造成材料局部硬化。在距離S 區(qū)65 cm 處的非S 區(qū)出現(xiàn)大面積的表面剝落，其硬度從Z大達80.5 HRC，Z小≤ 20 HRC。產(chǎn)生的原因有可能是S 區(qū)剝落的鐵屑隨著滾柱的運動進入軌道，在在滾柱的反復(fù)擠壓下產(chǎn)生接觸疲勞，使?jié)L道表面局部的表皮脫落?；剞D(zhuǎn)支承一旦局部產(chǎn)生損傷，隨著設(shè)備的運行又會促進損傷的進一步惡化，進而造成大面積的脫落，剝落的金屬碎片隨回轉(zhuǎn)支承的運轉(zhuǎn)散布在滾道和滾柱上。在滾道和滾柱的作用力下，在滾道和滾柱上都有不同程度的壓痕，此外一般滾柱的硬度比滾道的硬度大，故滾道出現(xiàn)較為明顯的壓痕。

參考文獻

[1] 徐強. 回轉(zhuǎn)支承滾道無軟帶感應(yīng)加熱數(shù)值模擬及淬火研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2015.

[2] 滕召勇. 回轉(zhuǎn)支承軟帶裂紋分析[J]. 金屬加工( 熱加工), 2016 (7): 16，17.

[3] 張慧芳, 陳捷. 大型回轉(zhuǎn)支承故障信號處理方法綜述[J]. 機械設(shè)計與制造, 2012 (3): 216-218.

[4] 張亞洲, 石林鎖, 秦亮. 基于譜峭度法和自適應(yīng)遺傳算法的軸承故障診斷[J]. 測量與儀器, 2010 (3): 40-43.

[5] 王兆光. 門座式起重機回轉(zhuǎn)支承軸承的故障分析[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2016 (4): 111.

來源：《起重運輸機械》2018年第10期