CC BY
75
ПОРТЫ, ПОРТОВОЕ хозяйство И ТРАНСПОРТНАЯ ЛОГИСТИКА
DOI: 10.24143/2073-1574-2019-1-105-118 УДК 621.874
ЭКСПЕРТИЗА НАДЕЖНОСТИ ЗУБЧАТЫ1Х ПЕРЕДАЧ ГРУЗОПОДЪЕМНЫК КРАНОВ МОРСКИХ ПОРТОВ И ТРАНСПОРТНЫ1Х ТЕРМИНАЛОВ
Н. Н. Панасенко1, П. В. Яковлев2
'Астраханский государственный технический университет, Астрахань, Российская Федерация
2Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Российская Федерация
При значительном разнообразии приводов в подъёмно-транспортных машинах циклического действия чаще всего используются зубчатые передачи, что объясняется их высокой нагрузочной способностью, надёжностью зубчатых передач, компактностью, меньшей стоимостью и меньшими эксплуатационными расходами. Использование зубчатых передач в ответственных узлах и механизмах грузоподъёмных машин требует особого подхода к оценке их работоспособности. Изучены и систематизированы соответствующие нормативно-технические документы. Анализ действующих нормативно-технических документов по подъёмно-транспортным машинам подтвердил, что некоторые повреждения и типы износа, которые могут быть причиной повреждения дорогостоящих узлов или аварий, не отражены в этих документах. На основе результатов экспертизы промышленной безопасности множества зубчатых передач механизмов кранов предпринята попытка систематизировать дефекты и выработать подходы, дополняющие существующие нормативные документы. Износ или незначительные повреждения зубчатой пары являются естественным следствием эксплуатации механизма. Наиболее серьёзной проблемой, стоящей перед экспертом, является оценка остаточного ресурса механизма, для чего необходимо знать дальнейшую динамику разрушения металла. Дефекты могут быть одинаковыми, но прогноз динамики разрушения требует оценки состояния самого материала. Рекомендовано внести количественные показатели усталости металла в критерии оценки состояния зубчатой передачи. Предложено заменить ряд субъективных экспертных методов проверки качества и безопасности зубьев зубчатых передач. Учитывая российский и зарубежный опыт в области зубчатых передач подъёмно-транспортных машин, для анализа безопасности зубчатых передач кранов, находящихся в эксплуатации до наработки ими предельного состояния, предложено применить коэффициент, характеризующий чувствительность материала к концентрации напряжений и влиянию масштабного фактора. Рассмотрены и проиллюстрированы примеры дефектов зубчатых передач на кранах ОАО «Строитель Астрахани», порта «Развитие» и других.
Ключевые слова: зубчатая передача, дефектация и износ, экспертиза, промышленная безопасность, расчёт остаточного ресурса, нормативно-технические документы.
Для цитирования: Панасенко Н. Н., Яковлев П. В. Экспертиза надежности зубчатых передач грузоподъемных кранов морских портов и транспортных терминалов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2019. № 1. С. 105-118. DOI: 10.24143/2073-1574-2019-1-105-118.
Введение
В подъёмно-транспортном машиностроении зубчатые передачи являются основой большинства механических передач, что объясняется высокой нагрузочной способностью и надёжностью зубчатых передач, компактностью, меньшей стоимостью и меньшими эксплуатационными расходами по сравнению с передачами других типов. Значительная часть конструкции крана включает в себя механизмы, обеспечивающие движение самого крана и груза. Например, для портальных и башенных грузоподъёмных кранов масса узлов механизмов грузоподъёмных кранов с зубчатыми передачами составляет, как правило, 15-20 % от общей массы. Учитывая важность зубчатых передач, экспертизе промышленной безопасности (ЭПБ) зубчатых передач в нормативно-технических документах по подъёмным сооружениям отведена важная роль. Попытка проанализировать требования нормативных документов в части зубчатых передач предпринята в настоящей работе.
Проблема дефектации зубчатых передач
Как известно, расчёт геометрических и кинематических параметров зубчатых передач, применяемых при расчёте зубьев зубчатых колёс на изгиб, производится по ГОСТ 16532-70, а допуски на цилиндрические зубчатые передачи регламентированы ГОСТ 1643-81. Метод расчёта зубчатых передач на прочность активных поверхностей зубьев и расчёт на прочность зубьев при изгибе (рис. 1) приведены в рекомендуемых приложениях 1, 2, 3, 4 ГОСТ 21354-75 «Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. Расчёт на прочность».
В ГОСТ 21354-75 даны формулы расчёта зубчатых передач на контактную выносливость активных поверхностей зубьев, а также на выносливость зубьев при изгибе.
Основополагающий нормативно-технический документ (НТД) по ЭПБ РД 10-112-1-04 [2] (взамен РД 10-112-01-96) в статье 6.4.4 предусматривает, чтобы повреждения узлов и механизмов, близкие к предельным состояниям, выявленные в результате внешнего осмотра, должны быть подвержены измерительному контролю. Результат измерения сравнивают либо с размером части существующего узла, где дефект практически отсутствует, либо с размером, указанным в чертеже, принятым из проектно-конструкторской документации (ПКД) на кран. К сожалению, ПКД отдельных деталей заводом-изготовителем в сопроводительных документах, как правило, не приводится.
Среди требований РД 10-112-1-04 в статье 6.4.7 рекомендуются основные дефекты и нормы выбраковки узлов механизмов принимать согласно рекомендациям по принадлежности к каждому типу крана. В частности, по кранам мостового типа РД 10-112-5-97 [3] и портальным кранам РД 10-112-4-98 [4] дублируют друг друга, а требования к зубчатым передачам, согласно приложению [3], для редукторов механизмов представлены в табл. 1.
Ffcos S
т
Рис. 1. Схема для определения напряжений в опасном сечении зуба [1]
Таблица '
Дефекты редукторов, при которых запрещена эксплуатация грузоподъёмных машин по РД 10-112-5-97 [3] и РД 10-112-4-98 [4]
Контрольный узел (элемент) Показатель дефекта, при котором дальнейшая эксплуатация крана не допускается Вид контроля, применяемые средства
Редуктор: 1. Уровень масла Уровень масла не находится между контрольными рисками маслоуказателя Внешний осмотр
2. Крепление редуктора Отсутствие отдельных крепежных изделий и ослабление их затяжки Внешний осмотр, контроль необходимых размеров
3. Состояние поверхности зубчатых колёс Площадь, занимаемая мелкими углублениями или порами, более 20 % поверхности зуба. Наличие следов усталости на поверхности зуба Внешний осмотр, лупа
4. Трещины зубчатых колёс Износ зубьев колёс для редуктора подъёма - более 15 %, для редукторов передвижения - 20 % от первоначальной толщины* Зубомер или необходимый шаблон
* Базовый размер не уточняется; очевидно, это толщина зуба по делительной окружности.
Отметим, что в [3, 4] отсутствует разделение зубчатых передач на открытые и закрытые согласно табл. 1.
Требования РД 10-112-3-97 [5] к зубчатым передачам башенных и других, относящихся к ним, несамоходных стреловых кранов более дифференцированы (см. приложение Е3). В этом документе разделены требования к открытым и закрытым зубчатым передачам. В классификации дефектов определены предельные состояния всех видов зубьев по площади и глубине выкрашивания (табл. 2).
Таблица 2
Дефекты редукторов, при которых запрещена эксплуатация грузоподъёмных машин
по РД 10-112-3-97 [5]
Контролируемый узел Показатель дефекта, при котором дальнейшая эксплуатация крана не допускается Вид контроля, применяемые средства
Редукторы, зубчатые муфты: 1) шестерни, зубчатые колёса; 2) для лебедок и привода механизмов подъёма груза: - передачи в редукторе, зубчатые муфты; - открытые зубчатые передачи; 3) для механизмов поворота и передвижения крана: - передачи в редукторе, муфты; - открытые зубчатые передачи; 4) все передачи Трещины, облом зуба Осмотр при появлении стука, повышенного шума
- Износ зуба по толщине 10 % В*; - 15 % В* Зубомер; зубомер
- 15 % В*; - 20 % В* Зубомер; зубомер
Выкрашивание зубьев на глубину 10 % В* не менее чем на 30 % рабочей поверхности Осмотр, измерение с использованием штангенциркуля
* В - толщина зуба по делительной окружности.
Наиболее вероятные предельно допустимые повреждения зубчатых передач механизмов стреловых самоходных кранов, представленные в РД 10-112-2-97 [6], практически дублируют требования к зубчатым передачам [3-5]. Можно отметить, что в РД 10-112-2-97 дополнительно введено ограничение на износ ширины головок зубьев (очевидно, по хорде) до 0,2 модуля (т) зуба, а также на износ зубьев червячных колёс у вершины на 1 мм (табл. 3).
Таблица 3
Дефекты редукторов, при которых запрещена эксплуатация стреловых самоходных кранов
по РД 10-112-2-97 [6]
Узел Описание повреждения или дефект зубчатой передачи Предельная допустимая величина повреждения или дефекта
1) Шестерня, зубчатое колесо, муфта, вал-шестерня Обломы зубьев Не допускается
Трещины любых размеров и разновидностей
Износ зуба по толщине (в % от первоначальной толщины по делительной окружности): - редукторы лебедок механизмов подъёма грузов 10 %
Окончание табл. 3
Узел Описание повреждения или дефект зубчатой передачи Предельная допустимая величина повреждения или дефекта
1) Шестерня, зубчатое колесо, муфта, вал-шестерня Механизмы поворота и передвижения: - передачи в редукторе; - открытые передачи 20 % 30 %
Уменьшение ширины головки зуба: минимальная ширина 0,2 модуля (т) зуба
Появление раковин выкрашивания: - максимальная глубина ямки; - максимальная площадь выкрашивания 5 % толщины зуба 30 % поверхности зуба
2) Червячное колесо Износ зуба у вершины: минимальная толщина у вершины 1 мм
3) Детали со шлицами Сдвиги, смятие и обломы шлицев, скручивание шлицев совместно с деталями Не допускается
4) Детали со шпоночными пазами и шпонки Смятие и сдвиги боковых поверхностей Не допускается
В РД 31.44.01-97 [7] сформулировано требование, согласно которому зубчатые колёса цилиндрических и конических передач механизмов кранов должны соответствовать рабочим чертежам и отвечать требованиям ГОСТ 9563-60, ГОСТ 14186-69, ГОСТ 13754-81, ГОСТ 13755-81, ГОСТ 15023-76. Зубчатые колёса грузоподъёмных кранов обязательно подлежат выбраковке после появления следующих дефектов:
1) трещин в зубьях, как правило, в основании зуба, в спицах или в ступице;
2) обнаружении питтинга (усталостного выкрашивания), превышающего 30 % площади рабочей поверхности зуба, если глубина выкрашивания превосходит 10 % толщины зуба;
3) выявленном дефекте ослабления посадки венца на диске бандажированного колеса;
4) износа зуба по толщине до уровня, определённого нормами в табл. 4.
Таблица 4
Дефекты редукторов, при которых запрещена эксплуатация грузоподъёмных машин по РД 31.1.02-04 [7]
Место установки передачи Предельный износ, %
Механизмы подъёма и изменения вылета стрелы 15
Открытые передачи механизмов поворота и передвижения 30
Зубчатые колёса редукторов механизмов поворота и передвижения 25
Замер толщины зуба осуществляется зубомером. Шестерни зубчатых пар с предельным износом зубьев подлежат обязательной замене, а парные с ними зубчатые колёса с износом зубьев до 50 % предельно допустимого износа допускается не заменять. При замене зубчатых колёс работающие с ними в паре шестерни заменяются независимо от величины их износа.
Кроме того, НТД [7] предусматривает ряд рекомендаций:
1. Замену изношенных зубчатых колёс быстроходных ступеней редукторов с паспортной окружной скоростью более 8 м/с рекомендуется производить зубчатыми парами;
2. Пятна касания на головках зубьев выше начальной окружности или на ножке ниже начальной окружности вызваны отклонением межцентрового расстояния валов более допустимого;
3. Смещение пятна касания от центра вбок на рабочем или на нерабочем профилях зубьев при вращении зубчатой пары в обоих направлениях, как правило, вызвано непараллельностью или перекосом валов;
4. Повышенный износ головок зубьев и их деформация вызваны нарушением бокового зазора;
5. Неравномерный износ зубьев по длине может возникать в случае отклонения в положении валов зубчатой передачи или их деформации;
6. Бандажированные зубчатые колёса при ослаблении посадки венца на диске допускается ремонтировать перепрессовкой при условии постановки нового венца;
7. При обнаружении необычного шума, повышении температуры в редукторе выше допустимых пределов и других не характерных для нормальной работы редуктора явлений он должен быть обязательно вскрыт для дефектации.
При нормальной работе зубчатого зацепления величины пятен касания от величины элементов зуба, согласно [7], не должны быть менее указанных в табл. 5.
Таблица 5
Величина пятна касания зубчатых зацеплений
Вид передачи и направление Класс точности, %
измерения 7 8 9
Цилиндрические передачи:
- по длине зуба; 65 50 Отдельные пятна
- по высоте зуба 60 60 Отдельные пятна
Конические передачи:
- по длине зуба; 60 50 40
- по высоте зуба 40 30 20
Для безопасной и надёжной работы червячных передач кранов, изготовленных по ГОСТ 3675-81 и РД 31.1.02-04 [7], большое значение имеет положение рабочего пятна на зубьях колеса, которое должно находиться на плоскости симметрии червячного колеса, перпендикулярной оси вращения. Уменьшение площади и смещение пятна касания вызваны непараллельностью или перекосом валов.
Предельно допустимый износ зубьев червячного колеса Дч.к и витков червяка Лв.ч. может быть рассчитан по формуле
Дч.к = Лв.ч = Ст, (1)
где т - модуль, мм; С - коэффициент, находится по табл. 6.
Таблица 6
Дефекты червячных передач, при которых запрещена эксплуатация грузоподъёмных машин по РД 31.1.02-04 [7]
Величина модуля, мм
1,0-3,5 1 3,5-5,0 | 5,0- 10,5 Более 10,0
Коэффициент С в (1)
0,11-0,085 | 0,080-0,070 | 0,065 -0,045 0,040-0,030
Так как червячное зацепление реализуется червячной парой, при ремонте замена червячной передачи также должна быть парной. Непарная замена допускается как исключение.
Минимальные величины пятен касания в червячном зацеплении приведены в табл. 7.
Таблица 7
Величина пятна касания червячных зацеплений
Направление измерения Класс точности, %
7 8 9
По длине зуба 65 50 35
По высоте зуба 60 60 50
Люфт (осевое смещение червяка) измеряется индикатором и не должен превышать 0,2 мм.
Допустимый максимальный перекос осей червячной передачи составляет 0,15 мм на каждые 1 000 мм длины вала червяка.
Свободный ход червяка, определяемый как угол его перемещения при неподвижном колесе, не должен превышать 8-10° для однозаходного, 4-6 - двухзаходного зацеплений.
Из приведённого анализа видно, что в [7], в отличие от НТД [3-5], определены требования к пятну касания зубчатых зацеплений, в том числе червячных передач (см. табл. 7). Вместе с тем в [7] нет разграничений по типам кранов, а в [3-7] не установлено влияние классов ответственности кранов, указанных в ГОСТ 28609-90, на ограничение износов и дефектов зубчатых передач.
Нормативы допускаемого износа зубьев из сталей твёрдостью менее 300 НВ редукторов по боковому зазору и толщине на делительной окружности устанавливаются РТМ 212.0143-86 [8] и приведены в табл. 8 (значения в числителе - при текущем ремонте крана, в знаменателе -при среднем).
Таблица 8
Нормативы допускаемого износа зубьев из сталей твёрдостью менее 300 НВ редукторов по боковому зазору и толщине на делительной окружности
Узлы механизма крана Износ по толщине зуба, % Боковой зазор*, мм
Редукторы:
- механизма подъёма; 8/5,5 0,25 т**/0,17 т
- остальные 11/8 0,35 т/0,25 т
Открытые зубчатые передачи: - механизмов поворота и передвижения (рабочее); - установочных механизмов передвижения в условиях влияния абразивных материалов 20/14 30/20 0,65 т/0,45 т 0,95 т/0,65 т
* Дефектация по боковому зазору для открытых зубчатых передач допускается только к передачам с жёстко фиксированным взаимным положениям валов.
** т - модуль зубчатого колеса.
Контроль состояния упрочненных зубьев (35^50 HRC) РТМ 212.0143-86 [8] рекомендует определять по состоянию контактных поверхностей (выкрашивание) и наличию трещин, а для зацепления Новикова - по выкрашиванию и наволакиванию металла.
Выбраковке подлежат колёса, на поверхности зубьев которых в результате выкрашивания образовались раковины, выявлены задиры и наволакивание металла, трещины у корня или торцов зубьев.
При дефектации червячных редукторов в соответствии с требованиями РТМ 212.0143-86 [8] проверяются:
1) износ червяка и червячного колеса измерением толщины витков и зубьев;
2) общее состояние контактных поверхностей;
3) положение и размеры пятна контакта;
4) измеряются осевые люфты валов;
5) состояние резьбы упорной гайки червяка;
6) состояние подшипников и посадочных мест.
При текущем ремонте крана выявленный износ витков червяка и зубьев червячного колеса допускается 0,2, а при среднем ремонте - 0,1 модуля зуба.
Пятно контакта червячного колеса эксплуатировавшегося редуктора считается удовлетворительным, если его длина не превышает 80 % длины зуба и оно не подходит к торцам зуба менее, чем на 5 % его длины из условия обеспечения доступа смазки в зону зацепления. Осевые люфты валов редуктора не должны превышать 0,2 мм. У упорной гайки червячного вала проверяется состояние резьбы. Незатянутая гайка не должна иметь осевого люфта, превышающего 0,2 мм.
Более поздний НТД [9], подконтрольный РТМ 212.0143-86 [8] и Российскому Речному Регистру [10], в разделе 7 предписывает проверку состояния механизмов, канатно-блочной системы, опорно-поворотного устройства, электрооборудования и гидрооборудования кранов проводить в объёме, необходимом для обеспечения их безопасной эксплуатации, внешним осмотром и наблюдением механизмов в движении (опробыванием) и отсылает пользователя к более общим источникам [10-12].
Обстоятельные рекомендации для проведения ЭПБ зубчатых передач приведены в справочной литературе [13, 14]. В частности [13] расчёт зубчатых передач на прочность рекомендует вести по ГОСТ 21354-75, а в качестве материалов зубчатых колёс применять нормализованные или улучшенные стали с твёрдостью после термообработки НВ < 320, твёрдость материала шестерни должна быть выше твёрдости материала колеса не менее чем на 30 единиц по шкале Бринелля: наибольшее передаточное отношение закрытой передачи должно быть 6,3, для открытой - 8, в некоторых случаях передаточные отношения могут составлять 20, быстроходные передачи редукторов должны быть косозубыми; ориентировочные значения отношения модуля передачи к её межосевому расстоянию должно составлять 0,01-0,02; отношение ширины зубчатых колёс к межосевому расстоянию (коэффициент ширины) для закрытых передач приниматься равным 0,315-0,4, для открытых - 0,1-0,2; окружная скорость открытых передач не должна превышать 2 м/с; степень точности передач (ГОСТ 1643-81) должна быть 8 или 9.
Укажем, что справочник [14] практически дублирует РТМ [8]. Кроме того, допускаемым износом зубьев передач по толщине в % от первоначальной [14] предлагает считать при текущих ремонтах 20/30 для механизмов подъёма и 30/40 для остальных механизмов (значения
в числителе - для первых и в знаменателе - для последующих пар). При капитальном ремонте допустимый износ составляет 10/15 и 15/20 соответственно. При капитальном ремонте строительных башенных кранов для редукторов допускаемый износ зубьев по толщине не должен превышать 5 %, а для открытых передач - 10 % [15].
Предполагаем, что одним из последних НТД, посвящённых ЭПБ кранов, является СТО АПСРТ 032.03.2-2008 [16], согласно которому установлены три группы дефектации зубчатых передач по износу и повреждениям.
Первая группа - узел, пара или деталь работоспособны. К этой группе относятся детали или узлы, износ (повреждение) которых не превышает допускаемый и, следовательно, не требует восстановления при очередном плановом ремонте соответствующей категории.
Вторая группа - узел, пара или деталь ограниченно работоспособны. К этой группе относятся изделия, достигшие износа или получившие повреждения, превышающие допустимые, но остающиеся ниже предельных. Узлы, отнесённые к этой группе, нуждаются в восстановлении при ближайшем плановом ремонте.
Третья группа - узел, пара или деталь неработоспособны, т. е. подлежат выбраковке. К этой группе относятся изделия, достигшие износа или получившие повреждения равные или больше предельного, а также повреждения, которые могут вызвать аварию механизмов, снижающие уровень безопасности крана или создающие недопустимую эргономическую обстановку.
Отметим, что третья группа имеет собственную градацию дефектов. Узлы, пары и детали, отнесённые к третьей группе, износ или повреждение которых могут вызвать аварию механизма или снизить его безопасность, получают обозначение группы дефектации - 3. При обнаружении дефекта такие изделия должны быть заменены немедленно, а работа связанного с ними механизма должна быть прекращена. Изделия, отнесённые к третьей группе, износ или повреждение которых могут вызвать только ускоренный износ других дорогостоящих деталей или ремонт значительной трудоёмкости, получают обозначение 3и. Дополнительно следует указать, что методика [16] основывается на понятиях допускаемого и предельного износов и предусматривает отнесение прошедших дефектацию узлов, пар и деталей в зависимости от их технического состояния к одной из трёх групп дефектации. При этом допускаемый износ соответствует наибольшему износу (повреждению) узла, пары или детали, за пределами которого возможно ожидать, что скорость их изнашивания или других, с ним связанных, деталей существенно возрастет, в то время как предельный износ узла, пары или детали соответствует износу (повреждению), за пределами которого прочность, управляемость, эргономические показатели и безопасность механизма могут снизиться за допустимые пределы. Предельными считаются также износ или повреждение узла, пары или детали, могущие вызвать ускоренное изнашивание дорогостоящих или особо трудоёмких в ремонте базовых элементов механизмов или металлоконструкций (табл. 9).
Таблица 9
Группы дефектации толщины зуба и бокового зазора зубчатых передач по СТО АПСРТ 032.03.2-2008 [16]
Замеряемый параметр или характер повреждения Группа дефектации
Толщина зуба, замеренная штангенциркулем, мм:
- более Sc*(1-0,06 к**); 1
- от Sc (1-0,06 к) до Sc(1-0,25 к); 2
- менее Sc (1-0,25 к) 3и
Боковой зазор зубчатого зацепления, мм:
- до 0,2 тк*** + 0,25; 1
- от 0,2 тк + 0,25 до 0,35 тк + 0,25; 2
- более 0,35 тк + 0,25 3и
* Sc - первоначальная толщина зуба, мм.
** Коэффициент k для редукторов механизмов подъёма принимается равным 0,7, а для редукторов остальных механизмов - 1,0.
*** т - модуль зуба, мм.
Измерение зубчатых колёс
Замер износа зубьев должен быть проведён с помощью зубомеров, для чего требуется информация о величине коррекции зацепления (т. е. смещение основного контура). Кроме факторов износа, представленных в табл. 9 [16], предельный износ хорды при вершине изношенных зубьев колеблется от 75 до 85 % т.
Дефектация открытых зубчатых передач путём замера длины хорды при вершине зуба, согласно [16], представлена в табл. 10, в то время как дефектация червячных редукторов производятся по боковому зазору в зацеплении червяк-венец в долях модуля (табл. 11).
Таблица 10
Группы дефектации высоты зуба зубчатых передач по СТО АПСРТ 032.03.2-2008 [16]
Замеряемый параметр или характер повреждения Группа дефектации
Длина хорды при вершине изношенного зуба в долях первоначальной длины S„ хорды
при вершине нового зуба*, замеренная измерительной линейкой:
- механизмы изменения вылета и поворота
свыше 0,75; 1
0,75-0,25; 2
до 0,25; 3и
- механизм передвижения крана
свыше 0,50; 1
0,50-0,30; 2
до 0,30 3и
* Если длина S„ хорды при вершине зуба нового колеса неизвестна из рабочих чертежей для некоррегированных колёс, то S„ = mc, где m - модуль зуба, мм; с - коэффициент, значение которого принимается в зависимости от числа зубьев г колеса:
z 15 20 25 30 40 50 60 100 200 и более
с 0,66 0,70 0,72 0,74 0,76 0,78 0,79 0,81 0,85
Таблица 11
Группы дефектации червячных передач по СТО АПСРТ 032.03.2-2008 [16]
Замеряемый параметр или характер повреждения Группа дефектации
Боковой зазор в зацеплении червяк-венец в долях модуля, т: менее 0,12; 0,12-0,45; более 0,45 1 2 3и
Осевой люфт вала червяка свыше 0,1 мм 3
На поверхности зубьев червячного колеса пятно контакта занимает всю длину зуба 3и
При дефектации цевочных передач замеряется величина износа цевок по диаметру и звёздочек по длине хорды при вершине зубьев. Кроме того, проверяются величины зазоров в гнёздах цевок, отсутствие трещин в кольцевых листах, несущих цевки (табл. 12).
Таблица 12
Группы дефектации цевочных передач по СТО АПСРТ 032.03.2-2008 [16]
Замеряемый параметр или характер повреждения Группа дефектации
Наименьшая толщина цевки по месту изнашивания в долях её номинального диаметра: свыше 0,97; 0,97-0,88; до 0,88 1 2 3и
Длина хорды при вершине зуба цевочной звёздочки, имеющего износ, в долях длины S„ хорды неизношенного зуба*: свыше 0,55; 0,55-0,25; до 0,25 1
2
3и
Трещины в местах металлоконструкции у гнёзд цевок 2
Цевки подвижны в гнёздах металлоконструкции 3и
* Длина S„ хорды неизношенного зуба берётся из рабочего чертежа звездочки.
Следуя изложенным способам дефектации зубчатых передач, авторы настоящей работы обобщили их предельные состояния по результатам проведённых ЭПБ грузоподъёмных кранов. При этом, согласно рекомендациям [14], зубчатые колёса с термически упрочненными рабочими поверхностями (толщина упрочнённого слоя: 0,75-1,5 мм при т = 4-8 мм и 1,4-1,8 мм при т > 8 мм) дефектовались в основном по выкрашиванию поверхностей или полному износу упрочненного слоя, а зубчатые колёса объёмной закалки - по выкрашиванию и трещинам. Точечное выкрашивание и одиночные раковины не служили основанием для выбраковки колёс с упрочненными поверхностями. Очевидно, наибольшую озабоченность экспертов при анализе безопасности зубчатых передач вызывают передачи механизмов подъёма груза (МПГ) и меха-
низмов изменения вылета стрелы (МИВС), при проверках которых подвергают измерениям толщину зуба по делительной окружности: основной и делительные шаги зубчатого колеса, а также профиль зуба - эвольвенту. При выборе средств и методов измерения авторы исходили из предельной погрешности, которая может быть допущена при измерении и не должна превышать 20 % допуска. Характеристики зубомерных приборов приведены в табл. 13.
Таблица 13
Выбор зубомерных приборов в зависимости от степени точности зубчатых колёс
и проверяемых элементов
Прибор Проверяемый элемент Степень точности зубчатых колёс
Кромочный зубомер Толщина зуба по постоянной хорде 9-11
Тангенциальный зубомер Смещение исходного контура 5-10
Нормалемер до 150 мм 7-11
Нормалемер до 300 мм Длина общей нормали 8-11
Зубомерный микрометр 8-11
Шагомер для окружного шага Окружной шаг 7-11
Шагомер для основного шага колёс 2-10 мм Основной шаг 7-11
Биениемер Биение зубчатого венца 8-11
Межцентромер (при установке по Отклонение измерительного межцентрового 7-11
концевым мерам) расстояния
Межцентромер (при установке по шкалам) Основной шаг 9-11
Универсальный эвольвентомер с постоянным диском Профиль на участках эвольвенты 3-6
Основной шаг
Универсальный зубомерный прибор Равномерность основного j шага Длина общей нормали Равномерность толщины зуба Равномерность окружного шага Биение зубчатого венца 3-6
Примеры дефектов зубчатых передач
В ОАО «Строитель Астрахани» на мостовом кране 15 т рег. № 38115 обнаружено разрушение зубьев тихоходного колеса второй ступени редуктора МПГ по всему периметру (рис. 2), причиной которого, как установлено, явилось технологическое расслоение металла в исходной поковке (заготовке) [3].
Рис. 2. Разрушение зубьев по окружности: а - общий вид передач редуктора; б - фрагмент
Особую опасность для стреловой системы портального крана КПП 5-30 рег. № 39226, принадлежащего Астраханскому порту «Развитие», представляет 100 % износ хорд при вершине зубьев шестерни второй ступени редуктора МИВС. После 40 % износа зубьев по толщине начался процесс их изгибного разрушения и выкрашивания (рис. 3) [4].
Рис. 3. Изгибное разрушение и выкрашивание зубьев МИВС
Принято считать, согласно НТД, недопустимым изменение межосевого расстояния открытых зубчатых передач (ОЗП) плавучих кранов [9], что приводит к жёсткому характеру нагружения зубьев. У крана КПЛ 5-30 Волжского ГБУ водных путей и судоходства (рег. № 230269) межосевое расстояние ОЗП МИВС увеличено на 10 мм, работа передачи сопровождается угрожающим про-щёлкиванием, а пятно контакта сместилось на головку зуба.
В отличие от КПЛ 5-30, у плавучего крана ПК-146 мостоотряда № 83 (рег. № 221603) г. Астрахани наблюдается податливость подшипников тихоходного вала редуктора МИВС, что привело к установлению пятна контакта сопряженных профилей на 40 % площади боковых поверхностей зубьев шестерни ОЗП, сидящей на консоли тихоходного вала редуктора [9].
Таким образом, следует предположить, что дефекты и повреждения открытых зубчатых передач чаще всего связаны с износом зубьев и нарушением их межосевого расстояния. Смещение пятна контакта на 10 мм, сопровождающееся наволакиванием металла и выкрашиванием 30 % боковой поверхности зубьев колеса, наблюдается у механизма поворота портального крана «Ганц» (рег. № 39004), принадлежащего Астраханскому морскому порту, пазухи впадин забиты на глубину 10 мм затвердевшей смазкой, а боковой профиль утратил эвольвентную поверхность.
Не сопоставимы с представлениями о безопасности и требованиями НТД дефекты и повреждения открытых зубчатых передач механизмов передвижения портальных кранов. Износ длины хорды при вершине изношенных зубьев составляет 100 % у крана «Альбатрос» 10/20 т, принадлежащего Центральному грузовому порту (г. Астрахань).
Учитывая российский и зарубежный опыт в области зубчатых передач подъёмно-транспортных машин [1], возникло предложение для анализа безопасности зубчатых передач
кранов, находящихся в эксплуатации до наработки ими предельного состояния, применить коэффициент va, характеризующий чувствительность материала к концентрации напряжений и влиянию масштабного фактора:
\ 2
°В I n tío °В
v= 0,09711 —— I- 0,258—— + 0,235, (2)
° ^100) 100
который, если учесть, что предел прочности материала сВ для углеродистых и легированных конструкционных сталей сВ, кгс/мм2, может быть определён по [1]:
с В = 0,331ЯВ + 4,7, (3)
связан зависимостью с сВ по графику (рис. 4) [1].
Предел прочности материала сгВ, кгс/мм2 Рис. 4. Зависимость коэффициента v ст от предела прочности материала оВ
Очевидно, если коэффициент (2) выходит за пределы, указанные на рис. 4, уровень безопасности зубчатых передач резко снижается, поэтому должны последовать меры предосторожности. Кроме того, следует учесть, что НВ в (3) может быть легко определён, например, российским динамическим твердомером ТЭМП-3 либо зарубежным ультразвуковым твердомером Бринелля МЕТ-НБ с нагрузкой 50 Н, реализующим метод ультразвукового контактного импеданса (UCI method).
Заключение
Зубчатые передачи в грузоподъёмных механизмах во многом определяют безопасную эксплуатацию кранов. В первую очередь, зубчатые передачи обеспечивают движение груза и крана, а их разрушение, вероятнее всего, может привести к аварийному падению транспортируемого полезного груза. Кроме того, несоосности, люфты и иные дефекты зубчатых передач зачастую являются причинами деформации несущих металлоконструкций портовых кранов, приводящих к усталости металла, образованию трещин и потере устойчивости элементов кранов. При этом анализ действующих НТД выявил отсутствие единых подходов к оценке технического состояния зубчатых передач. Расчёт геометрических и кинематических параметров зубчатых передач производится на этапах проектирования и изготовления, выполняется по ГОСТ 16532-70 и требованиям работ [17, 18], допуски которых на этапе изготовления регламентированы ГОСТ 1643-81, а их параметры зубчатых передач при дальнейшей эксплуатации контролируются фрагментарно, в соответствии с действующими НТД, на конкретный кран, теряя единство и обоснованность подходов.
Второй проблемой оценки состояния зубчатых передач является кумулятивный эффект накопления дефектов, степень опасности которых зависит от свойств материала, из которого они изготовлены. Для выработки единых подходов к экспертизе промышленной безопасности зубчатых передач портовых кранов нами предложен критерий оценки, учитывающий как реальные геометрические параметры зубчатого зацепления с учётом износа, так и особенности эксплуатации и чувствительность металла к накоплению дефектов.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Войнич Л. К. Методы расчёта зубчатых передач дорожных машин на выносливость при изгибе. Обзорная информация. Сер. 4: Дорожные машины. Вып. 1. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1980. 57 с.
2. РД 10-112-1-04. Рекомендации по экспертному обследованию грузоподъёмных машин. Общие положения. URL: http://files.stroyinf.ru/Data1/47/47690/ (дата обращения: 14.08.2018).
3. РД 10-112-5-97. Методические указания по обследованию грузоподъёмных машин с истекшим сроком службы. Ч. 5: Краны мостовые и козловые. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200004844 (дата обращения: 14.08.2018).
4. РД 10-112-4-98. Методические указания по проведению обследования портальных кранов с целью определения возможности их дальнейшей эксплуатации. URL: http://files.stroyinf.ru/Index2/1/4293829/ 4293829875.htm (дата обращения: 14.08.2018).
5. РД 10-112-3-97. Методические указания по обследованию грузоподъёмных машин с истекшим сроком службы. Ч. 3: Башенные, стреловые несамоходные и мачтовые краны, краны-лесопогрузчики. URL: http://files. stroyinf.ru/Data 1 /8/8101/ (дата обращения: 14.08.2018).
6. РД 10-112-2-97. Методические указания по обследованию грузоподъёмных машин с истекшим сроком службы. Ч. 2: Краны стреловые самоходные общего назначения. URL: http://files.stroyinf.ru/Data1/8/8100/ (дата обращения: 14.08.2018).
7. РД 31.1.02-04. Правила технической эксплуатации подъёмно-транспортного оборудования морских торговых портов. URL: http://files.stroyinf.ru/Data1/59/59739/ (дата обращения: 14.08.2018).
8. Механизмы грузоподъёмных кранов: требования к ремонту. РТМ 212.0143-86. Ленинград: Транспорт, Ленинград. отд-ние, 1988. 54 с.
9. Методические указания по обследованию металлических конструкций плавучих и судовых грузоподъёмных кранов с целью определения возможности и условий их дальнейшей эксплуатации: письмо № 07-08-3907 от 02.12.2003 г. URL: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293757/4293757909.htm (дата обращения: 14.08.2018).
10. Правила Российского Речного Регистра: В 4 т. М.: Российский Речной Регистр, 2008. 1430 с.
11. ГОСТ 27.002-89. Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1989. 36 с.
12. Правила технической эксплуатации перегрузочных машин. СПб: Изд-во СПбГУВК, 1997. Т. 1. 232 с.
13. Абрамович И. И., Березин В. Е., Яуре А. Г. Грузоподъёмные краны промышленных предприятий: справ. М.: Машиностроение, 1989. 360 с.
14. Александров М. П., Гохберг М. М., Ковин А. А. и др. Справочник по кранам: В 2 т. / под ред. М. М. Гохберга. М.: Машиностроение, 1988. Т. 2. 559 с.
15. Новиков И. В. Справочник по ремонту кранов на пневматическом ходу. М.: Стройиздат, 1975. 208 с.
16. СТО АПСРТ 032.03.2-2008. Технические осмотры и дефектация механизмов портальных кранов: методические рекомендации по проведению (согласовано с Ростехнадзором 11. 10.2007 г.). М., 2008. 41 с.
17. Войнович Л. К. Зубчатые передачи дорожных машин. Обзор. М.: ЦНИИЭстроймаш, 1972. 27 с.
18. Войнович Л. К. Методы расчёта зубьев зубчатых колес строительных и дорожных машин на изгиб при максимальном напряжении. Обзор. М.: ЦНИИЭстроймаш, 1975. 51 с.
Панасенко Николай Никитович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры техники и технологии наземного транспорта; psastr@mail.ru.
Яковлев Павел Викторович - Россия, 199106, Санкт-Петербург; Санкт-Петербургский горный университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры теплотехники и теплоэнергетики; zvs01jak@rambler.ru.
Статья поступила в редакцию 11.10.2018
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
RELIABILITY EXAMINATION TRANSMISSION GEARS OF LIFTING CRANES IN SEA PORTS AND TRANSPORT TERMINALS
N. N. Panasenko1, P. V. Yakovlev2
'Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Russian Federation
2Saint-Petersburg Mining University,
Saint-Petersburg, Russian Federation
Abstract. With a significant variety of drives in hoisting-and-transport machines of cyclic action, gears are most often used, which is explained by their high load-carrying capacity, reliability of gears, compactness, lower cost and lower operating costs. The use of gears in major units and mechanisms of lifting machines requires a special approach to the assessment of their performance. The required regulatory and technical documents have been studied and systematized. Analysis of the current regulatory and technical documents on the lifting and transport vehicles justified that some types of wear that can cause damage or accidents to expensive components are not registered in these documents. Based on the results of the examination of industrial safety of a variety of objects, there have been made efforts to systematize defects and develop approaches to complement existing regulatory documents. Wear or minor damage to the gear pair is a natural consequence of the mechanism operation. The most serious problem facing the expert is the assessment of the mechanism residual life. So, it is important to know further dynamics of metal destruction. Defects may be similar, but the prediction of the dynamics of destruction requires an assessment of the material state. Quantitative indicators of metal fatigue are recommended to include in the criteria for assessing the state of transmission gear. It has been proposed to replace a number of subjective expert methods of checking the quality and safety of gear teeth. Taking into account domestic and foreign experience in the operation of gears of hoisting-and-transport machines, in order to analyze the safety of gears of cranes that are in operation before they have reached the limit state, it has been proposed to apply a coefficient characterizing the sensitivity of the material to stress concentration and the influence of the scale factor. There have been considered and illustrated examples of gear defects on the cranes of "Astrakhan Builder" JSC, port "Development", etc.
Key words: gear, fault detection and wear, expertise, industrial safety, residual life calculation, regulatory and technical documents.
For citation: Panasenko N. N., Yakovlev P. V. Reliability examination transmission gears of lifting cranes in sea ports and transport terminals. Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine Engineering and Technologies. 2019;1:105-118. (In Russ.) DOI: 10.24143/2073-1574-2019-1-105-118.
REFERENCES
1. Voinich L. K. Metody rascheta zubchatykhperedach dorozhnykh mashin na vynoslivost'pri izgibe. Ob-zornaia informatsiia. Seriia 4: Dorozhnye mashiny [Methods of analyzing band fatigue strength of transmission gear of road transport]. Iss. 1. Moscow, TsNIITEstroimash Publ., 1980. 57 p.
2. RD '0-''2-'-04. Rekomendatsii po ekspertnomu obsledovaniiu gruzopod"emnykh mashin. Obshchie polozheniia [RD 10-112-1-04. Recommendations on expert study of lifting machines. General provisions]. Available at: http://files.stroyinf.ru/Data1/47/47690/ (accessed: 14.08.2018).
3. RD '0-112-5-97. Metodicheskie ukazaniiapo obsledovaniiu gruzopod"emnykh mashin s istekshim sro-kom sluzhby. Chast' 5: Krany mostovye i kozlovye [RD 10-112-5-97. Methodological recommendations on examining lifting machines with expired service life. Part 5: Bridge and gantry cranes]. Available at: http://docs.cntd.ru/document/1200004844 (accessed: 14.08.2018).
4. RD '0-''2-4-98. Metodicheskie ukazaniia po provedeniiu obsledovaniia portal'nykh kranov s tsel'iu opredeleniia vozmozhnosti ikh dal'neishei ekspluatatsii [RD 10-112-4-98. Methodological recommendations on examining portal cranes in order to determine possibility for their further operation]. Available at: http://files.stroyinf.ru/Index2/1/4293829/4293829875.htm (accessed: 14.08.2018).
5. RD '0-''2-3-97. Metodicheskie ukazaniia po obsledovaniiu gruzopod"emnykh mashin s istekshim sro-kom sluzhby. Chast' 3: Bashennye, strelovye nesamokhodnye i machtovye krany, krany-lesopogruzchiki [Methodological recommendations on examining lifting machines with expired service life. Part 3: tower cranes, jib non-self-propelled cranes and mast cranes]. Available at: http://files.stroyinf.ru/Data1/8/8101/ (accessed: 14.08.2018).
6. RD 10-112-2-97. Metodicheskie ukazaniia po obsledovaniiu gruzopod"emnykh mashin s istekshim sro-kom sluzhby. Chast' 2: Krany strelovye samokhodnye obshchego naznacheniia [RD 10-112-2-97. Methodological recommendations on examining lifting machines with expired service life. Part 2: Jib self-propelled general purpose cranes]. Available at: http://files.stroyinf.ru/Data1/8/8100/ (accessed: 14.08.2018).
7. RD 31.1.02-04. Pravila tekhnicheskoi ekspluatatsii pod"emno-transportnogo oborudovaniia morskikh torgovykh portov [RD 31.1.02-04. Regulations on technical operation of lifting and transportation machines in sea merchant ports]. Available at: http://files.stroyinf.ru/Data1/59/59739/ (accessed: 14.08.2018).
8. Mekhanizmy gruzopod"emnykh kranov: trebovaniia k remontu. RTM 212.0143-86 [Lifting crane mechanisms: requirements to repair. RTM 212.0143-86]. Leningrad, Transport Publ., Leningradskoe otdelenie, 1988. 54 p.
9. Metodicheskie ukazaniia po obsledovaniiu metallicheskikh konstruktsii plavuchikh i sudovykh gruzo-pod"emnykh kranov s tsel'iu opredeleniia vozmozhnosti i uslovii ikh dal'neishei ekspluatatsii: pis'mo № 07-083907 ot 02.12.2003 g. [Methodological recommendations on examining metal works of floating and ship lifting cranes in order to determine their further operation: letter No. 07-08-3907 dated 02.12.2003]. Available at: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293757/4293757909.htm (accessed: 14.08.2018).
10. Pravila Rossiiskogo Rechnogo Registra: V 4 tomakh [Russian River Register regulations: in 4 Volumes]. Moscow, Rossiiskii Rechnoi Registr Publ., 2008. 1430 p.
11. GOST 27.002-89. Nadezhnost' v tekhnike. Osnovnye poniatiia. Terminy i opredeleniia [GOST 27.002-89. Availability of machinery. General provisions. Terms and definitions]. Moscow, Izd-vo standartov, 1989. 36 p.
12. Pravila tekhnicheskoi ekspluatatsii peregruzochnykh mashin [Rules on technical maintenance of transshipping equipment]. Saint-Petersburg, Izd-vo Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo universiteta vodnykh kommunikatsii, 1997. Vol. 1. 232 p.
13. Abramovich I. I., Berezin V. E., Iaure A. G. Gruzopod"emnye krany promyshlennykh predpriiatii: spravochnik [Lifting cranes in industrial enterprises: reference book]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1989. 360 p.
14. Aleksandrov M. P., Gokhberg M. M., Kovin A. A. i dr. Spravochnik po kranam: V 2 tomakh [Reference book on crane types: in 2 Volumes]. Pod redaktsiei M. M. Gokhberga. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1988. Vol. 2. 559 p.
15. Novikov I. V. Spravochnik po remontu kranov na pnevmaticheskom khodu [Reference book on pneumatic cranes repair]. Moscow, Stroiizdat, 1975. 208 p.
16. STO APSRT 032.03.2-2008. Tekhnicheskie osmotry i defektatsiia mekhanizmov portal'nykh kranov: metodicheskie rekomendatsii po provedeniiu (soglasovano s Rostekhnadzorom 11.10.2007 g.) [STO APSRT 032.03.2-2008. Technical inspection and fault detection of portal crane mechanisms: methodological recommendations (approved by Rostechnadzor on 11.10.2007)]. Moscow, 2008. 41 p.
17. Voinovich L. K. Zubchatye peredachi dorozhnykh mashin. Obzor [Transmission gear of road transport. Review]. Moscow, TsNIIEstroimash Publ., 1972. 27 p.
18. Voinovich L. K. Metody rascheta zub'ev zubchatykh koles stroitel'nykh i dorozhnykh mashin na izgib pri maksimal'nom napriazhenii. Obzor [Methods of bend analysis of teeth of construction and road transport under maximum stress. Review]. Moscow, TsNIIEstroimash Publ., 1975. 51 p.
The article submitted to the editors 11.10.2018
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Panasenko Nickolay Nikitovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Technique and Technology of Land Transport; psastr@mail.ru.
Yakovlev Pavel Viktorovich - Russia, 199106, Saint-Petersburg; Saint-Petersburg Mining University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Thermal Engineering and Heat Power Engineering; zvs01jak@rambler.ru.
