基于ZTC-H6000型自对位鹤管驱动涡轮故障的分析及优化设计

摘要：通过对ZTC-H6000型自对位鹤管驱动总成涡轮故障实物进行研究，分析查找造成ZTC-H6000自对位鹤管驱动总成涡轮故障的原因，针对分析原因和现场安装现状，对蜗杆支撑座重新进行设计和制作，提高涡轮磨损寿命，延长鹤管运行周期。

关键词：自对位鹤管、涡轮、设计优化

鹤管石化行业流体装卸过程中的专用设备，又称流体装卸臂。它是采用旋转接头与刚性管道及弯头连接起来，以实现火车、汽车槽车与栈桥储运管线之间传输液体介质的活动设备。

石油炼化单位装卸栈桥共计安装了37套ZTC-H6000型自对位鹤管,主要用于石油化工液态物料的装卸车，此类型鹤管采用红外技术，引导鹤管自动对位，通过私服电机带动蜗杆，驱动涡轮旋转带动鹤嘴总成与火车罐口对接，实现密封后装车工作，从安装至今多次因涡轮蜗杆故障，造成鹤嘴总成无法正常落下与罐口对接，影响装车工作，或是装车完成后无法正常升起，影响火车拉运。

1. ZTC-H6000型鹤管的基本构成

1.1门架

用于支持轨道、小车及整台鹤管管路系统，起到支撑固定轨道防止轨道震动、变形，保证管道系统静态及运动过程中的位置准确，可有效将轨道、小车及管路系统扭力分散于栈桥两侧，减小栈桥的力矩集中，减小站那桥侧向扭力。

1.2轨道体及行走小车

轨道采用矩形H型钢结构，用于小车行走，满足较大的包络范围。行走小车部分，是通过导向轮固定与管道提上，沿轨道行走，实现罐口找位，满足不同罐长造成的包络范围要求，积极火车停靠位置不到造成的对位需求。

1.3管道系统及随动密封系统

鹤管使用的管道，采用配套石油化工钢制对焊法兰（标准：HG/T20592-20635）材质20#钢，垫片采用柔性石墨金属缠绕垫片。外壁为管路的主要部分，与小车固定中间连接管及垂管（鹤嘴）连接，上下旋转，实现与灌口的对接。液相旋转臂是连接现场介质的工艺管道，通过驱动系统驱动使得外壁和液相旋转臂转动，实现对位装卸。随动密封系统是由固定层、密闭层、纠偏层组成，密闭系统安装在垂管连接管上，与机械臂实现随动密闭功能，满足全过程密封要求。

1.4动力系统

用来实现管道小车的前后移动，外壁旋转，动力部分主要由多组防爆私服电机，涡轮蜗杆换向机构组成。通过私服电机驱动齿轮带动小车沿着轨道运行，实现水平方向的运动，通过私服电机带动蜗杆驱动涡轮转动，涡轮带动鹤管外壁和垂管转动，实现上下方向的运动。

1.5仪表与控制系统

主要包括了对位传感器，音叉式液位传感器、主控制器三大组件构成。对位传感器利用红外技术进行检测，原理是对罐体上表面进行非接触式扫描，将扫描特性进行整理分类，与设定条件进行对比，对罐体表面的锈斑、油污、呼吸孔、灌盖、安全防护栏等进行依次筛选，确认合适区间，再计算中心位置后引导鹤管自动运行到位；音叉液位传感器，主要用来监测液面高度，是液位限位开关。主控器是智能化机器人控制器，实现鹤管多轴联动，鹤位之间实现通讯互通，实现远程控制，数据共享，主要有运动控制器和私服驱动器组成。

2. 鹤管驱动总成涡轮故障及原因分析

2.1涡轮蜗杆故障现象及造成的影响

私服电机根据驱动信号，带动蜗杆转动，蜗杆驱动涡轮，涡轮带动外壁及垂管运转，在下降过程中，私服电机带动动蜗杆空转，蜗杆无法与涡轮咬合，造成垂管（鹤嘴总成）及随密闭系统无法下降或突然不受控制的直接落下；另外在装卸完成后，需要及时将鹤管鹤嘴总成部分升起，满足火车及时拉运工作，如果鹤嘴无法及时升起，造成整列火车无法及时将储罐运走，影响储运装置的装卸车工作，同时由于鹤嘴无法按要求升起，造成长时间易挥发可燃气体挥发，造成环境污染和火灾安全隐患。

2.2故障分析

2.2.1通过计算和测量涡轮蜗杆中心距进行分析

通过对自对位鹤管涡轮和蜗杆进行拆解分析，蜗杆轴无磨损，通过对蜗杆进行测绘计算涡轮及中心距。从现场紧固后啮合情况，造成啮涡轮和蜗杆实际啮合接触面积减少。从而使得涡轮齿顶啮合强度满足不了要求，造成顶部磨损严重。铜质涡轮直接磨损，通过对磨损的涡轮与新涡轮对比，发现磨损明显，对新旧涡轮磨损量进行测量对比，发现磨损量达到H差=4-2=2毫米，说明中心距变化造成磨损严重。

2.2.2强度方面分析

设计强度无法满足要求，运行产生的力矩过大，造成涡轮蜗杆啮合，涡轮强度无法满足要求，产生挤压塑性变形。塑性变形造成涡轮齿形齿顶减薄，由于鹤管本身重量重，下降和上升过程承载方向不同，减薄的齿无法承载的重量产生的力矩，发生啃切现象，由于涡轮强度无法满足要求，造成啮合变形，发生啃切现象严重，最终造成蜗杆无法驱动涡轮转动，从而鹤管无法实现上下移动。

2.2.3支撑座原因分析

支撑座前后和左右方向无法调节，造成中心距偏A和涡轮蜗杆啮合中心产生的偏移无法调节。涡杆支撑座安装背板与涡轮中心尺寸位置发生位移，造成涡轮和蜗杆啮合面积不满足，加快了磨损和挤压情况的发生，现场蜗杆支撑座背板固定连接孔位圆孔通过M10内六方螺杆与支撑座方式连接，位置量固定不可调，当紧固螺杆后，造成涡轮蜗杆在上下方向无法调整，为了满足使用，螺杆紧固后，在横向上涡轮与蜗杆啮合产生偏移量，造成啮合接触不良，加速了磨损和挤压情况恶化。

3. 设计优化

3.1涡轮和蜗杆的强度校核优化

蜗轮蜗杆的材料蜗轮蜗杆的材料不仅要具有足够的强度，更重要的是应具有良好的跑合性、减磨性及耐磨性。蜗杆用碳钢制成45#钢，经调质硬度在220~300HBS，蜗轮材料为铸造锡青铜、根据导程角3度13分，查《机械设计手册3》得知涡轮蜗杆具有自锁，为了防止变形，对蜗轮进行时效处理。蜗杆使用的是45#钢，涡轮材质为ZCuSn10P1；在蜗杆传动中，由于材料和结构上的原因，蜗杆螺旋齿部分的强度通常高于蜗轮齿的强度，所以失效常发生在蜗轮轮齿上。而根据本文第2部分的原因分析，主要失效的部件就是涡轮，蜗轮轮齿因弯曲疲劳强度不足而失效，根据文献查表锡青铜涡轮的允用极限为268MPA；计算值273MPA大于等于268MPA；说明目前涡轮在满足中心距要求下，涡轮能够满足鹤管运行时，承载的强度要求。

3.2支撑座和墙板优化设计

3.2.1通过在现有条件基础上，改变安装方式

通过使安装后涡轮或者蜗杆可以从上下左右多个维度进行调节，确保涡轮蜗杆的中心满足要求，跟距次此思路和现场改造施工条件进行分析优化，涡轮安装在液相臂上，液相臂通过旋转接头连接，运行过程中，涡轮旋转，要想调整涡轮来满足中心距的要求难度大，作业环境防爆区域，涉及吊装，作业难度大；根据优化设计的假设条件，此优化假设不成立。

3.2.2连接墙板方向优化设计

通过调整改造蜗杆轴支撑座来调节涡轮蜗杆啮合时的技术参数，现场由于蜗杆支撑座通过与焊接在鹤管外臂上的墙板固定连接.要想实现调节作用，必须对连接墙板进行拆除后重新设计加工，但是由于墙板与鹤管外臂焊接成为一体，施工过程必须将整体吊装后拉机械加工厂进行加工处理。根据优化设计假设此方案可行，但施工过程比较困难；还可进一步对其进行优化设计。

3.2.3支撑座改造优化设计

因支撑座通过6个M2螺栓与墙板实现连接固定，蜗杆安装在支撑座上，而且支撑座拆卸方便，可实现加工制作后现场安装即可，首先要通过对旧支撑座进行改造设计，设计思路；通过对底座底板进行切割改造，将底板设计加工，将支撑座板重新与线切割后的支撑座焊接，支撑板与过渡墙板以及现场墙板三者互相连接，通过支撑板上新加工的M10螺纹孔，安装M10螺杆后实现涡轮水平方向的调整。

同时为了满足调整涡轮蜗杆中心距A，通过在过渡板上安装调节块，在支撑座改造板上铣削出长条孔，通过定位块上两个螺杆顶出调整支撑座上下方向的移动，由于满足了上下方向移动，即可根据现场啮合和实际测量情况，调节定位块螺栓，实现涡轮蜗杆中心距值的保证。

4结论

现场检测实践表明，通过对ZTC-H6000型自对位鹤管蜗杆支撑座的优化设计，实现涡轮蜗杆在水平方向不跑位，在上下方向实现调节定位作用，保障了蜗杆和涡轮中心距技术参数的要求，通过优化实践证明，鹤管由于涡轮蜗杆啮合情况的改善，鹤管运行周期得到延长。