履带起重机回转支承故障诊断及有限元分析

李 强

(太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原，030024)

履带起重机回转支承故障诊断及有限元分析

李 强

(太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原，030024)

本文针对履带起重机样机在厂内试验过程中遇到的车架异响和回转支承齿轮啮合不良现象进行了分析研究，通过实验测量和有限元模拟，分析了出现的问题的原因。为后续履带起重机的生产及试验提供了宝贵的经验，避免类似问题的重复发生。

履带起重机; 机架异响；回转支承；有限元分析

0 前言

履带起重机是一种应用广泛的起重运输机械设备。在工程起重机中履带起重机的市场占有比例一般在8%～10%。日本则约达15%，而国内履带起重机的占有比例较低，约6%[1]。国外履带起重机的代表性生产厂家有利勃海尔、特雷克斯-德马格、马尼托瓦克以及神钢。近年来，我国的履带起重机以起重量大、可带载行走、作业灵活等优势受到众多企业的青睐。虽然国内的履带起重机发展迅速，技术水平提高很快，但在履带起重机设计及制造上仍然存在较多问题。其中可靠性问题较为严重，尤其是在当今履带起重机朝着超大吨位发展的条件下，可靠性显得尤为重要。

张明辉[2]对履带起重机回转机构的液压系统进行动态仿真，将该仿真技术引入到履带起重机的液压系统设计当中，具有广泛的应用前景。王凯[3]对80 t履带起重机桁架式臂架系统进行了有限元分析，在应力分析的基础上提出了强度、刚度及稳定性评价方案。王欣[4]阐述了200 t履带起重机中履带结构的组成和受力特点，对结构进行了有限元计算与分析。

本文通过实验测量和有限元分析，对太重自主研发的TZC系列某型号履带起重机样机试制中的可靠性进行分析研究，解决了车架异响和回转齿轮啮合不良等问题。

1 车架异响

起重机在吊载试验过程中，在车架部位发出了不规则的冲击异响，人站在车架上方能感觉到较大的振动。初步怀疑是车架内部筋板受力后焊缝开裂，经对各筋板焊缝进行检查，未发现异常，由于声音在钢中传播速度极快，且人耳无法确定声源位置。为了确定声源位置，采用丹麦2511 测振仪为主机、由电荷放大器、加速度传感器、校准器组成的振动测试分析系统进行测量。仪器主机如图1所示，测试系统框图如图2所示。

测试时，共使用四支ICP加速度传感器，为了判断振源位置，分多次布置在车架的不同部位。信号采样频率51.2 kHz。

图1 测试现场Fig.1 Examination spots

图2 测试系统框图Fig.2 Block diagram of the test system

首先把1#、2#传感器分别布置在车架的左后端侧板和右前端上盖板，3#传感器布置在左后端销轴处，测量其走行方向的振动，4#传感器布置在左后侧履带处，测量其左右方向的振动。测量结果如图3和图4所示。从图中可知，振动具有明显的冲击特性，且振动水平较高。1#、3#测点振动发生时间非常接近，相对于1#测点、2#测点振动发生的时间具有明显的滞后，滞后时间为1.64 ms，而测点4与测点1振动发生的时间相差仅为0.158 ms，说明振源位于1#测点与3#测点附近。

接着把1#测点布置在左后侧挤压块处，2#测点布置在销轴端盖处，测量垂直方向振动，3#、4#布置在左后侧履带架上不同位置(3#测点靠近下部小定位块处)。测试结果见图5和图6。从图中可知，1#测点即左后侧挤压块处与2#测点即销轴端盖处，振动最先发生，相对于履带板测点超前约0.37 ms。但3#测点即靠近下部小定位块的部位振动冲击加速度较高。

图3 多次冲击的振动波形图Fig.3 Vibration waveform of repeated impact

图4 一次冲击的振动波形图Fig.4 Vibration waveform of a single impact

图5 多次冲击的振动波形图 Fig.5 Vibration waveform of repeated impact

图6 一次冲击的振动波形展开图Fig.6 Vibration waveform of a single impact

最后把2#测点布置在下部小定位块， 3#测点布置在车架耳朵处，对其走行方向振动进行测试。4#测点布置在履带耳朵处，对其垂直方向振动进行测试。1#测点位置不变。测试结果见图7和图8。从图中可知，2#测点即下部小定位块与1#测点即左后侧挤压块处振动发生的时间基本相同，1#测点相对于2#测点略有滞后，滞后时间约为0.078 ms。各测点的振动冲击加速度都较大。

图7 多次冲击的振动波形图 Fig.7 Vibration waveform of repeated impact

图8 一次冲击的振动波形图 Fig.8 Vibration waveform of a single impact

图9 履带与车架连接示意图Fig.9 Schematic diagram of connection crawler and frame

通过对车架及履带多个测点、多个方向的振动测试，表明振动具有不规则性和冲击性，且冲击加速度较大。振源位于车架挤压块与履带的接触面及车架下部小定位块与履带的接触面处，如图9所示。正常工作时，承载挤压块与承载销轴受力，装配定位销与装配定位块只是装配定位时便于承载销的安装，振动产生的原因可能是接触面处摩擦较大，在起吊与卸载等载荷发生变化的过程中，接触面处发生相对变形，产生了较大的冲击振动。拆除履带检测后，发现装配定位块加工尺寸超差，加工至图纸尺寸后，车架异响现象消除。

2 回转齿轮啮合不良

履带起重机通过回转机构进行上车回转，回转机构由回转减速机及回转支承组成，某履带起重机在进行载荷试验过程中发现回转机构齿轮啮合不良现象，如图10所示。在吊载时，下端接触，空载时上端接触，啮合沿长度方向不超10%。

图10 回转齿轮啮合Fig.10 Mesh of rotating gears

齿轮啮合不良是因为大小齿轮位置发生相对转动，而可能引起大小齿轮位置转动的因素不外乎以下三点：

(1)结构本身承载后的弹性变形；

(2)回转支承连接高强螺栓预紧力不足引起的松动；

(3)回转支承的变形，包括本身的弹性变形及游隙引起的变形。

通过激光追踪仪测量吊载前后转台与车架的位移量，转台与车架均近似为整体相对转动，结构本身弹性较小，通过检测螺栓力矩未发现力矩不足现象，因转台与车架之间只有回转支承通过螺栓连接，没有其它部件。下一步重点对回转支承进行分析。

根据厂家提供的回转支承图纸，采用有限元分析程序NX NASTRAN 9.0，建立回转支承131.45. 2500有限元分析模型，如图11所示，对其进行有限元接触分析。

图11 回转支承有限元模型Fig.11 Finite element model of rotary support

根据回转支承的工作原理，将与车架连接的回转支承外圈固定，在内圈中心处定义一个主节点，用rbe2单元耦合内圈上表面，建立刚性区域，并在主节点上施加轴向力与倾覆力矩，其中轴向力为5.577 MN，倾覆力矩为18.724 MPa，内圈上下之间预紧力为968 713 N(10.9级螺栓预紧70%)。滚子与滚道之间设置接触，接触摩擦系数为0.1。

图12 外圈综合位移云图Fig.12 Displacement contour of the outer ring

图13 内圈综合位移云图Fig.13 Displacement contour of the inner ring

内圈最大位移为0.141 mm，外圈为0.01 mm。再不考虑游隙的情况下，位移很小，通过数据分析，车架、转台是整体刚度旋转的，挠曲变形很小， 转台与车架之间的变形，除了回转支承的弹性变形，也包括游隙和螺栓的影响，但螺栓的变形应该很小，主要还是回转支承。

通过拆除回转支承后检测，轴向游隙为0.17 mm，径向游隙为0.78 mm，JB/T2300《回转支承》中规定，轨道直径为2 500 mm的三排滚柱式回转支承轴向游隙为0.04～0.15 mm，径向游隙为0.07～0.3 mm。

更换回转支承厂家后，测得新回转支承轴向游隙0.13 mm，径向游隙0.23 mm，满足JB/T2300《回转支承》中对游隙的要求，再次吊载试验后，齿轮啮合良好。

3 结论

针对履带起重机试验过程中遇到的问题，通过采用一次测量和有限元分析进行系统分析研究，最终找到问题原因并进行相应的改进。计算结果可以为液压履带起重机的结构设计提供数据支持。通过本文的研究可知，当后续产品中出现结构件受载及卸载过程中异响问题，可检查是否存在非承载挤压面的现象。同时在回转支承采购时，轴向、径向游隙等主要技术参数要严格执行国家标准，否则可能出现回转机构啮合不良的情况出现。

[1] 刘金江.履带起重机产品现状及发展趋势[J]. 建筑机械, 2009(3): 32-34.

[2] 张明辉. 大型履带起重机回转液压系统仿真研究[D]. 大连理工大学, 2006.

[3] 王凯, 周慎杰. 80 t履带起重机桁架式臂架系统的有限元分析[J]. 机械设计与研究, 2005, 21(5): 88-91.

[4] 高一平, 王欣, 高顺德, 等. 200t履带起重机履带架结构设计与有限元分析[J]. 机械设计与研究, 2004(1): 71-72.

[5] 王宇, 李文韬, 卢玲. 基于有限元法的塔式起重机结构模态分析[J]. 重型机械, 2014(2): 84-86.

[6] 王凤萍, 程磊, 孙影. 国内外履带式起重机的现状及发展趋势[J]. 工程机械, 2006, 37 (4): 39-43.

[7] 起重机设计规范[S]．国家标准局, 2008.

[8] 李伟亮. 履带起重机关键参数分析与研究[D].沈阳: 东北大学, 2010.

[9] 武云鹏, 陈玲桥. 塔式起重机主梁可靠性分析统的开发[J]. 重型机械, 2014(6): 57-60.

Finite element analysis and fault diagnosis for slewing bearing of crawler crane

LI Qiang

(Technology Center, Taiyuan Heavy Industry Co., Ltd., Taiyuan 030024, China)

This paper researched frame abnormal sound and gear bad meshing of slewing bearing in crawler crane test. The possible reasons of abnormal sound and bad meshing were analyzed by experimental measurement and finite element simulation. Some valuable experiences were provided about production and testing of crawler crane, and avoid the similar problems would happen again.

crawler crane； frame abnormal sound；slewing bearing；finite element analysis

2016-01-21；

2016-03-14

国家青年基金资助项目(51104104), 973计划(2012CB722801), 山西省高等学校青年学术带头人(OIT，20131086), 山西省基础研究项目(2012021019-3), 教育部博士点基金项目(20111103), 太原科技大学博士启动基金项目(20102018)。

李强(1981-)，男，河北邢台人，工程师，硕士，主要研究方向：工程机械设计与开发。

TH218

A

1001-196X(2016)03-0067-04