采煤機電機轉子內花鍵修復技術探討

李煥娣

0 引言

近年來，采煤機電動機轉子負荷輸出端由外花鍵改為內花鍵，并且越來越普遍。如采煤機用YBC2-300 型電動機負荷輸出端為內花鍵，這種改進的特點是電動機與采煤機組用一根齒槽軸連接，當機組負荷過載或悶車時，很快將齒槽軸損壞或斷裂，不用拆電機，只需更換一根新齒槽軸就可解決問題；但是當電動機內花鍵損壞后，必須拆下電機修復。以前，就近修理廠無法修理，只能買廠家的新轉子，非常影響生產。因購買新轉子等待時間長、費用高，1 根300 kW 成品轉子費用是25 000 元。1 根轉子只因內花鍵損壞就報廢實在太可惜，為此探索修復YBC 型系列電動機轉子內花鍵具有現實意義。

1 電動機轉子內花鍵結構分析及修復方案

1.1 電動機轉子內花鍵結構分析

YBC2-300 型電動機的轉子示意見圖1，可看出轉子內花鍵的軸向位置在距負荷端端部入深323 mm處，內花鍵與轉子的轉軸為一整體，轉軸與鐵芯通過滾花與鍵烘裝連接，內花鍵損壞失效后必須更換整個轉子，大多修理廠沒有轉子的專用加工設備，其他設備的加工精度與工藝又達不到要求，因此只能去電動機制造廠家更換新的轉子。

圖1 YBC2-300 型電動機轉子示意

1.2 內花鍵修復方案一

通過擴孔車去損壞花鍵，更換新花鍵套，再在外邊鑲套以固定花鍵套的軸向位置。

在方案實施中發現了問題：通常電機內花鍵軸向位置距外端較淺，很容易車掉內花鍵后更換，并容易焊接。而本臺YBC2-300 型電機的內花鍵軸向深達323 mm，不容易車掉。即使車掉后精度也達不到要求，因為尺寸太深，軸的同軸度、圓柱度、圓跳動等形位公差均達不到要求。另外，更換花鍵套后，必須焊接才能確保機械強度，工件短一點，端部焊接后工件變形不大，可以保證工件兩端的軸向傾斜度很小；而本臺電機的花鍵套長達323 mm，端部焊接后很難保證軸向中心線不會傾斜且不超差，成品率極低，綜合性能達不到要求。

1.3 內花鍵修復方案二

采用斷軸再接工藝更換內花鍵套。也就是在轉子軸端部適當位置切斷，使花鍵套的軸向深度變淺，便于加工和焊接。用車床擴孔車掉損壞的舊花鍵，加工新的花鍵套后再將新花鍵套與轉軸焊接在一起，并確保原來轉軸的各部分尺寸公差、形狀等均不變。

為確保焊接后電動機轉軸的機械強度，采用了加大焊接坡口尺寸的方法。花鍵套外圓內側與車掉花鍵套后的轉軸內孔采用過盈配合，以進一步加強焊接后轉軸的機械強度。根據以前的斷軸再接經驗和強度校核，此方案可行。

2 內花鍵套的設計

根據齒槽軸參數，確定內花鍵套參數（見表1）。

表1 內花鍵參數

為確保齒面的抗疲勞強度和較好的韌性，將齒面調質，調質硬度（250～270)HBW；再進行中頻表面淬火，深度4 mm～6 mm，硬度由原來的洛氏硬度(30～35)HRC 增加為洛氏硬度(45～48)HRC，提高了內花鍵的綜合力學性能，以承受較大的交變載荷和沖擊載荷。

因為電動部的轉子承受沖擊、反復彎曲疲勞和扭轉，主要瞬時超載而扭斷，故根據抗扭強度公式計算花鍵套外徑。

抗扭強度公式[1]:

式中：d ——花鍵套外徑，mm；

T ——軸所傳遞的扭矩，N·m ；

[τ]——許用扭轉剪應力，在42CrMo 材料的許用扭轉剪應力范圍內選取最小值35 N/mm2；

α ——空心軸內徑d1與外徑d 之比，。

式中：P ——軸所傳遞的功率，kW；

n ——軸的工作轉速，r/min。

考慮到電機的過載能力，強度校核中應按最大轉矩計算：Tmax=2×T=2×1 935.8=3 871.6 N·m.

將抗扭強度公式代入上述數據可得：

故選取花鍵套外徑d=100 mm。

3 內花鍵套的制造

根據上述數據和轉子總長設計出內花鍵套(見圖2）。

圖2 內花鍵套

根據內花鍵套的形狀尺寸及內花鍵參數，確定加工內花鍵的工藝路線：下料→鍛造→退火→粗加工→半精車外圓→精車外圓→淬火→高溫回火→粗磨外圓→滾銑花鍵槽→精磨→鍛壓→熱處理→機加工等分別加工[2]。

（1）用車床擴孔并車掉損壞的舊花鍵。因內花鍵用于傳遞轉矩又得實現牢固結合，故鑲嵌的內花鍵套選用Φ100H7/t6 過盈配合，將孔擴至，內花鍵軸孔配合的最大過盈量Ymax=Dmin-dmax=EI-es=0-0.113=-0.113 mm，最小過盈量Ymin=Dmax-dmin=ES-ei=0.035-0.091=-0.056 mm，滿足了內花鍵的精度設計要求，還需確保內花鍵焊接后的機械強度和軸的抗扭強度。

（2）組裝花鍵套前，將電機轉子整體放入干燥室升溫至180℃，恒溫4 h～6 h 后再用氧氣對軸頭局部加熱至300℃～400℃，花鍵套用液氮煮2 min，用壓力機將花鍵套壓裝進去并到位[3]。

（3）在滿足強度要求的前提下，內花鍵套和轉子選擇合理的V 形預制坡口[1]。坡口處采用多層多道焊接工藝。焊端面焊縫和4 個填焊孔，焊面不得高于軸表面，減少殘余焊接變形和應力，確保焊接質量。焊后刀檢端面和其他臺階徑面，確保各臺階直徑在圖標公差范圍之內。

（4）用車床將焊口車平，恢復電動機轉子原狀。

（5）鉗工修齒，以防止焊后齒形或尺寸變形，確保齒槽軸順利裝入花鍵套并有合適的配合。

4 空心軸強度校核

內花鍵套是按抗扭強度設計的，應該沒有問題；外部各部分軸肩與原轉軸相同是經過強度校核的，不用再校核。現只校核焊口處的抗扭強度。根據圖1 尺寸，按空心軸校核，轉軸材料選用40Cr 調質鋼。空心軸的內徑d1與外徑d 之比，轉軸傳動的最大扭矩Tmax=3 871.6 N·m，許用扭轉剪應力［τ］=35 N/mm2，將這些數據帶入抗扭強度公式可得：

通過驗算可知，空心軸的強度滿足要求，焊口處強度通過校核。

5 使用效果

修復1 臺采煤機用YBC 型電動機轉子內花鍵的成本費用為2 800 元，和購買新轉子相比，價格低廉；用抗扭強度計算出的內花鍵套增加了壁厚，又加大了齒面硬度，設計出的內花鍵套是經濟適用的；縮短了修理周期。應用此技術先后對26 臺采煤機電動部轉子內花鍵進行了更換修復，至今設備運行正常。

6 結語

YBC 型電動機轉子內花鍵的成功修復，填補了大同煤礦集團公司電動機轉子修理技術的空白。該新工藝在不更換轉子的情況下更換內花鍵，為修復類似電動機轉子的內花鍵積累了經驗，其他結構形式的電機更換內花鍵也可以借鑒上述方法。

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2000.

[2]金續曾.新編電機繞組修理手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[3]傅豐禮，唐孝鎬.異步電動機設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2008.