帶傳動(dòng)在圓錐破碎機(jī)HP500中引起失效分析

王連明

(安鋼集團(tuán)舞陽礦業(yè)有限責(zé)任公司)

帶傳動(dòng)在圓錐破碎機(jī)HP500中引起失效分析

王連明

(安鋼集團(tuán)舞陽礦業(yè)有限責(zé)任公司)

HP500圓錐破碎機(jī)是進(jìn)口設(shè)備，采用帶傳動(dòng)。在帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中，多次發(fā)生嚴(yán)重的失效，其表現(xiàn)有三角帶失效；電機(jī)軸承損壞；電機(jī)軸彎曲變形、扭轉(zhuǎn)斷裂。采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與檢修案例相結(jié)合的方法，分析歷次三角帶、電機(jī)失效原因。依據(jù)帶傳動(dòng)機(jī)理、相關(guān)參數(shù)，通過對(duì)電機(jī)軸伸所受壓軸力、力偶矩大小核算、及其矢量簡(jiǎn)化視圖分析，判斷壓軸力、力偶矩對(duì)軸橫截面產(chǎn)生應(yīng)力集中的影響。揭示電機(jī)軸彎曲變形、扭轉(zhuǎn)斷裂的根源。綜合分析失效原因，提出改進(jìn)措施和建議，延長(zhǎng)疲勞周期，保障先進(jìn)設(shè)備HP500良好運(yùn)行。

帶傳動(dòng) 偏載 磨損 壓軸力 失效 高周疲勞

0 前言

HP500圓錐破碎機(jī)是進(jìn)口設(shè)備，采用帶傳動(dòng)，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)由電機(jī)、三角帶槽輪、三角皮帶、傳動(dòng)軸共同組成。其中電機(jī)為高壓6000 V、450 KW，皮帶輪直接裝在軸頭端部，采用懸臂支承的傳動(dòng)形式，三角帶為聯(lián)組窄V帶25J3X7870或單根窄V帶。本單位兩個(gè)選廠有6臺(tái)相同型號(hào)HP500圓錐破碎機(jī)。自2011年3月安裝投產(chǎn)以來，筆者對(duì)所發(fā)生失效進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：三角帶質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，一旦磨損、斷裂、起層隨時(shí)更換。2013年7月9日，西選廠HP500圓錐破碎機(jī)電機(jī)軸扭曲變形；2013年12月26日，東選廠HP500圓錐破碎機(jī)電機(jī)掃堂故障。2014年8月21日，西選廠HP500高壓6 000 V、450 KW發(fā)生故障。2014年9月4日，東選廠HP500圓錐破碎機(jī)電機(jī)軸承燒毀卡死被迫停機(jī)更換。同一臺(tái)HP500圓錐破碎機(jī)，曾于三日前電機(jī)軸承燒毀被迫停機(jī)更換。這些均對(duì)生產(chǎn)相對(duì)影響較大。

帶傳動(dòng)在圓錐破碎機(jī)HP500中引起失效分為以下3種情況：(1)常見的三角帶失效：磨損、打滑、膠帶老化伸長(zhǎng)或斷裂；(2)常見的主電機(jī)失效：電機(jī)軸承損壞而掃堂；(3)主電機(jī)失效造成嚴(yán)重后果：電機(jī)軸伸彎曲變形、扭轉(zhuǎn)斷裂，如圖1所示。

圖1 電機(jī)軸彎曲變形、斷裂

1 三角帶失效分析

1.1 HP500的帶傳動(dòng)屬于高速帶傳動(dòng)

HP500圓錐破碎機(jī)帶傳動(dòng)在工作時(shí)，高速軸轉(zhuǎn)速n=1485 r/min，帶線速v=34.97 m/s，遠(yuǎn)大于30 m/s，屬于高速帶傳動(dòng)。在高速帶傳動(dòng)中，帶的壽命占有很重要的地位，不僅要求帶的撓曲性好，能適應(yīng)高周疲勞作業(yè)，而且安裝要規(guī)范，以減少額外的損傷。

1.2 三角帶的安裝、檢測(cè)、調(diào)整實(shí)踐分析

HP500圓錐破碎機(jī)電機(jī)及三角帶安裝過程中。發(fā)現(xiàn)安裝、檢測(cè)、調(diào)整往往達(dá)不到理想狀態(tài)。兩帶輪端面不在同一平面內(nèi)，到三角帶邊沿外觀有毛邊，觸摸帶輪輪槽沿，單邊留有很深邊棱印痕。檢測(cè)結(jié)果是兩個(gè)三角槽輪相差一個(gè)半槽輪，這時(shí)通過綜合調(diào)節(jié)電機(jī)底座和調(diào)整螺栓，使兩帶輪中心在一條直線上。此時(shí)，作業(yè)人員對(duì)三角帶的漲緊程度有分歧，誤認(rèn)為三角皮帶越緊越好，越緊電機(jī)傳遞扭矩更大，圓錐破碎機(jī)能破碎更多堅(jiān)硬礦石，破碎腔不堵不卡。三角帶過緊，三角皮帶變形較大，膠帶老化伸長(zhǎng)容易失去彈性，斷裂，降低皮帶的使用壽命，甚至造成軸的徑向負(fù)荷加大，使軸承發(fā)熱和磨損，增加功率消耗，適得其反；三角帶過松則容易打滑，降低傳動(dòng)效率，加速磨損。

2 圓錐破碎機(jī)HP500電機(jī)軸承損壞分析

2.1 負(fù)載端軸承損壞頻率高

查閱相關(guān)歷次電機(jī)檢修檔案發(fā)現(xiàn)：首先進(jìn)行絕緣檢測(cè)，短路接地；其次逐步解體電機(jī)，發(fā)現(xiàn)負(fù)載端軸承損壞頻率高。仔細(xì)地檢查：現(xiàn)象有發(fā)藍(lán)、軸承受力痕跡明顯，滾道劃痕、偏一側(cè)有剝落現(xiàn)象，球架散架。結(jié)果是軸承損壞直接造成電機(jī)掃堂故障，如圖2所示。

(a) 軸承受力痕跡 (b) 滾道偏載劃痕

2.2 負(fù)載端軸承承受偏載

通常大型電機(jī)一般以純扭矩輸出動(dòng)力，電機(jī)軸承只是承擔(dān)轉(zhuǎn)子重量，軸承在正常負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)。但在HP500圓錐破碎機(jī)電機(jī)中，電機(jī)軸承除承擔(dān)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子重力外，還必須承受徑向帶輪重力、三角帶拉力及三角帶安裝引起的軸向推力等外力。此外力產(chǎn)生的電機(jī)軸彎曲變形造成軸承內(nèi)部間隙沿軸線不等使軸承滾子偏載，尤其是皮帶輪端軸承承受偏載力占比較大，偏重荷載下軸承過熱壽命下降，導(dǎo)致軸承頻繁損壞。統(tǒng)計(jì)電機(jī)檢修案例：軸承損壞或因?yàn)檩S承損壞而造成的電機(jī)故障，占了電機(jī)全部故障的80%以上，可以證實(shí)，除軸承質(zhì)量因素、潤(rùn)滑冷卻不足以外，嚴(yán)重偏載是主要原因。

3 電機(jī)軸失效原因探討

電機(jī)軸承所受主要外力-壓軸力。壓軸力指三角帶傳動(dòng)作用在軸上的力。以HP500圓錐破碎機(jī)電機(jī)軸為例，分析壓軸力對(duì)電機(jī)軸產(chǎn)生的彎曲變形原因。

確定作用在軸上的壓力FQ。傳動(dòng)帶以一定初拉力F0緊套在帶輪上，工作時(shí)，帶傳動(dòng)的緊邊拉力和松邊拉力對(duì)軸產(chǎn)生壓力FQ，它等于緊邊和松邊拉力的向量和，拉力、壓軸力向量如圖3所示。

圖3 拉力、壓軸力向量圖

帶傳動(dòng)作用在軸上的初拉力F0和壓軸力FQ可以通過下式計(jì)算：

(2)

式中：a1——小帶輪上的包角，度； z——V帶根數(shù)，條； Kα——包角修正系數(shù)(見表1)； Pc——計(jì)算功率，kW； q——v帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，kg/m； v——帶的速度，m/s。

表1 包角修正系數(shù)Kα(摘自GB13575.1-92)[2]

3.1 HP500圓錐破碎機(jī)電機(jī)及帶傳動(dòng)相關(guān)參數(shù)

該電機(jī)銘牌顯示型號(hào)YKK400-4；額定功率P=450 kW；轉(zhuǎn)速n=1 485 r/min；雙班制連續(xù)工作，單向運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：電機(jī)軸頭直徑d1=110 mm；帶輪輪槽楔角=38 °；電機(jī)軸伸段皮帶輪中心至支撐點(diǎn)長(zhǎng)度L=200 mm；大帶輪直徑D2=750 mm；小帶輪直徑D1=450 mm；大、小帶輪之間中心距a=2 900 mm；三角帶根數(shù)Z=12。查閱HP500圓錐破碎機(jī)使用說明書：帶的型號(hào)為聯(lián)組窄v帶25J3X7870。

3.2 確定計(jì)算功率Pc

計(jì)算功率Pc是根據(jù)傳遞的電機(jī)的額定功率，并考慮載荷性質(zhì)和每天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)短等因素的影響來確定，即：

Pc=KAP

式中：P——傳遞的額定功率(這里指電機(jī)的額定功率)，kW；

KA——工作情況系數(shù)。

由于HP500圓錐破碎機(jī)載荷變動(dòng)很大，每天工作10h，所以選工況系數(shù)KA=1.6[1]。經(jīng)計(jì)算可得Pc= 720kW。

3.3 帶的速度v

帶傳動(dòng)在工作時(shí)，傳動(dòng)帶的緊邊拉力和松邊拉力不同，會(huì)產(chǎn)生彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象。當(dāng)緊邊繞上主動(dòng)輪時(shí)，帶的線速度v和主動(dòng)輪的圓周速度相等[1]。帶的速度由下式計(jì)算：

式中：n——主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，r/min；D1——主動(dòng)輪的計(jì)算直徑，mm。

近年來，廣西越來越重視健身休閑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模也逐年擴(kuò)大。2015年廣西體育健身休閑活動(dòng)總產(chǎn)出和增加值分別為7.5億元和3.5億元，占全區(qū)體育總產(chǎn)出和增加值的比重分別為4.8%和4.9%①資料來源：《廣西壯族自治區(qū)體育局發(fā)布2015年全區(qū)體育產(chǎn)業(yè)規(guī)模及增加值的公告》（桂體經(jīng)〔2017〕19號(hào)）。。綜觀整個(gè)體育服務(wù)業(yè)（除體育用品和相關(guān)產(chǎn)品制造業(yè)、體育場(chǎng)地設(shè)施建設(shè)外的其他9大類），經(jīng)濟(jì)規(guī)模較大的是體育場(chǎng)館服務(wù)，總產(chǎn)出和增加值分別為21.2億元和14.0億元，占比分別為13.6%和19.5%。由此可見，傳統(tǒng)體育產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，體育場(chǎng)館服務(wù)依舊是主要?jiǎng)?chuàng)收來源，健身休閑產(chǎn)業(yè)尚有較大提升空間。

經(jīng)計(jì)算可得v=34.97m/s。

3.4 驗(yàn)算小帶輪上包角

帶在帶輪上的包角由小皮帶輪直徑、大皮帶輪直徑及大、小帶輪之間中心距之間關(guān)系來確定[1]，即：

3.5 確定初拉力F0

型號(hào)25J3X聯(lián)組窄v帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量q=0.693kg/m[2]。當(dāng)α1=174 °時(shí)，由表1查得包角修正系數(shù)ka=0.99。由公式(1)計(jì)算可得，F(xiàn)0=1 351.44N。

3.6 確定作用在軸上的壓軸力

根據(jù)所確定的F0及包角α1值，由公式(2)計(jì)算可得壓軸力FQ=32 389N。

3.7 電機(jī)軸伸受組合力矩

圖4 電機(jī)的固定端約束圖

3.8 按彎扭合成校核軸強(qiáng)度

按第三強(qiáng)度理論公式，計(jì)算A截面彎曲應(yīng)力

式中：σA——A截面彎曲應(yīng)力，Mpa；

Me——彎扭合成當(dāng)量彎矩，N·m，

W——軸的抗彎截面系數(shù)[2]W=118mm3。

因彎矩在軸截面上所引起的應(yīng)力為循環(huán)脈動(dòng)變應(yīng)力，取折和系數(shù)：α=0.6。根據(jù)M、T值求得Me=6706.47N·m。電機(jī)軸用材料采用調(diào)質(zhì)45鋼，許用彎曲應(yīng)力值[σ0]=95Mpa；計(jì)算比較危險(xiǎn)截面A處彎曲應(yīng)力，σA=56.8Mpa<[σ0]。

根據(jù)理論分析結(jié)果，危險(xiǎn)截面彎曲應(yīng)力小于許用彎曲應(yīng)力值。與實(shí)物圖1相互對(duì)照，彎曲變形斷裂在電機(jī)軸幾何臺(tái)階附近，臺(tái)階位置因幾何形狀突變，應(yīng)力集中。同時(shí)承受尖峰彎曲應(yīng)力 ，應(yīng)力達(dá)極大值，隨循環(huán)應(yīng)力次數(shù)增多超過局部區(qū)域材料彎曲疲勞極限，促使初始疲勞裂紋形成，并促使裂紋擴(kuò)展。此危險(xiǎn)區(qū)域易發(fā)生斷裂事故。

4 HP500圓錐破碎機(jī)電機(jī)失效的進(jìn)一步分析

軸傳遞轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng)循環(huán)切應(yīng)力對(duì)圓錐破碎機(jī)電機(jī)軸的影響。從圖4可以看出電機(jī)軸是受彎矩、扭矩復(fù)合作用。HP500圓錐破碎機(jī)電機(jī)為臥式安裝，電機(jī)軸所受力：(1)轉(zhuǎn)子重量作用在軸上徑向力和軸外伸端安裝皮帶輪承受的徑向力，電機(jī)軸承受的這兩種徑向力產(chǎn)生徑向彎曲應(yīng)力和拉應(yīng)力都比較小，可以忽略不計(jì)[3]。(2)電機(jī)軸傳遞轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng)循環(huán)切應(yīng)力，電機(jī)軸在以切應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)下易發(fā)生高周疲勞破壞，這是電機(jī)軸斷裂的另外一個(gè)原因。斷裂的極細(xì)疲勞裂紋常始于軸的表面，然后逐步發(fā)展深入內(nèi)部，所以強(qiáng)化處理表層，不為疲勞源留下入口。

一般電機(jī)軸用材料采用45鋼、20CrMnTi、40Cr、40CrNi等，以45鋼、20CrMnTi為例比較不同表面質(zhì)量，在應(yīng)力集中區(qū)域軸階梯處，軸徑獲得扭轉(zhuǎn)疲勞極限應(yīng)力大小。按公式(3)和(4)測(cè)算具有應(yīng)力集中情況下電機(jī)軸的疲勞極限應(yīng)力τ'-1。45鋼和20cr的主要力學(xué)參數(shù)，見表2。

表2 選用材料主要力學(xué)性質(zhì)[4]

(3)

(4)

式中：T——電機(jī)軸傳遞的額定轉(zhuǎn)矩，N·m；

P——額定功率,kW；

n——額定轉(zhuǎn)速，r/min；

τ'-1——具有應(yīng)力集中的電機(jī)軸扭轉(zhuǎn)疲勞極限應(yīng)力，Mpa；

τ-1——電機(jī)軸傳遞的扭轉(zhuǎn)疲勞極限應(yīng)力，Mpa；

Wp——零件危險(xiǎn)截面的抗扭截面系數(shù)[3]，選取WP=248.48cm3；

β——表面質(zhì)量系數(shù)；

ετ——零件尺寸系數(shù)；

η——零件設(shè)計(jì)的安全系數(shù)[3]，選取η=1.3；

Kτ—一切應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù)；

ψτ—一切應(yīng)力種類系數(shù)。

針對(duì)HP500圓錐破碎機(jī)電機(jī)，測(cè)算電機(jī)軸伸臺(tái)階過渡圓弧R=2mm。

依據(jù)公式(4)計(jì)算出調(diào)質(zhì)45#鋼和20CrMnTi合金，τ'-1值分別是2.109Mpa和4.7Mpa。比較具有應(yīng)力集中的電機(jī)軸扭轉(zhuǎn)疲勞極限應(yīng)力τ'-1，45#鋼τ'-1值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于20CrMnTi的τ'-1。這是因?yàn)椴牧?0CrMnTi表面質(zhì)量系數(shù)β=3，遠(yuǎn)大于45#鋼表面質(zhì)量系數(shù)β=1，表面質(zhì)量系數(shù)越高的材料，疲勞裂紋發(fā)生的時(shí)間延長(zhǎng)。

5 失效分析結(jié)論

進(jìn)口設(shè)備圓錐破碎機(jī)HP500的帶傳動(dòng)，采用懸臂支承傳動(dòng)方式，同時(shí)三角帶在高速重載下，由于檢測(cè)、調(diào)整安裝不當(dāng)?shù)寞B加因素，加速三角帶磨損、斷裂、起層；三角帶對(duì)電機(jī)產(chǎn)生附加徑向力和軸向力，進(jìn)而傳遞到軸和軸承，產(chǎn)生偏重載，造成非正常磨損和破壞；在彎矩、扭矩復(fù)合作用下，由于電機(jī)軸應(yīng)力集中，彎曲疲勞極限值小，造成電機(jī)軸彎曲變形、扭轉(zhuǎn)斷裂失效。

6 改進(jìn)措施和建議

6.1 規(guī)范安裝三角帶

筆者收集相關(guān)三角帶安裝規(guī)范[4]及經(jīng)驗(yàn)提出以下建議： 安裝三角帶一定要把握3個(gè)要點(diǎn)：

(1) 兩帶輪端面必須在同一平面內(nèi)，才能滿足兩只帶輪中心對(duì)齊，從而保證兩個(gè)帶輪的輪軸平行，輪槽對(duì)準(zhǔn)，具體以帶輪對(duì)中儀器校核；或用拉線法檢測(cè)。

(2)三角帶松緊適宜，正確做法是使用測(cè)力計(jì)、平板尺在每條三角帶中部施加2kg左右垂直力，下沉量20mm～30mm為宜。

(3)不同廠家的或新舊不同三角帶不宜同時(shí)使用。

6.2 軸承的選用與監(jiān)測(cè)

軸承的選用與監(jiān)測(cè)要做好兩點(diǎn)：

(1)電機(jī)的軸承規(guī)格選擇：優(yōu)先選用高等級(jí)電機(jī)軸承，足以承受懸掛皮帶輪的重量和三角帶拉力，盡量避免不利外力荷載；

(2)利用精密儀器診斷技術(shù)新方法提高軸承壽命。日常檢查及維護(hù)保養(yǎng)，應(yīng)借助精密儀器檢測(cè)分析，例如HBA-2電腦軸承分析儀，不通過解體準(zhǔn)確判斷軸承工作狀態(tài)、潤(rùn)滑狀態(tài)及安裝是否良好，做好事故的早期預(yù)防，發(fā)現(xiàn)聲音、震動(dòng)、溫度異常，就應(yīng)合理更換軸承，實(shí)現(xiàn)精品檢修。

7 結(jié)語

針對(duì)圓錐破碎機(jī)HP500電機(jī)軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)與性能進(jìn)一步提高的建議。

(1)合理降低電機(jī)軸應(yīng)力集中；

(2)通過以上理論分析20CrMnTi和調(diào)質(zhì)45#鋼兩種軸用材料的強(qiáng)度及強(qiáng)化處理表面，20CrMnTi合金鋼能延長(zhǎng)疲勞裂紋發(fā)生的時(shí)間，也能提高軸的疲勞壽命，電機(jī)軸用20CrMnTi替代調(diào)質(zhì)45#鋼。為該類電機(jī)的設(shè)計(jì)分析提供參考依據(jù)。

[1] 濮良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，1996:157-164.

[2] 王德俊. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2000：1-390，420.

[3] 曾翠華. 電機(jī)軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)電設(shè)備，2005，22(2)：44.

[4]JGJ03-90水泥機(jī)械設(shè)備安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

FAILURE ANALYSIS OF BELT DRIVE IN CONE CRUSHER HP500

Wang Lianming

(Hen-an Steel Group Wuyang Mining Co.，Ltd)

HP500 cone crusher is imported equipment with belt drive. In the belt transmission structure, many times of serious failure occurred, which showed the failure of the triangle belt, the damage of the motor bearing, the bending deformation and torsional fracture of the motor shaft. By using the method of field investigation and maintenance case, the failure reason of the triangle belt and motor is analyzed. On the basis of the belt drive mechanism and the related parameters, the motor shaft compression axial force, torque and size calculation, a simplified view of vector analysis, judgement of axial force and torque of couple have the effect of stress concentration on the shaft cross section. The origin of the bending deformation and torsional fracture of the motor shaft is revealed. Comprehensive analysis of the causes of failure, and puts forward measures and suggestions to improve the extension of the fatigue cycle, to ensure the good operation of advanced equipment HP500.

belt drive eccentric load wear axial force failure fatigue

明，工程師，河南.舞鋼(462500)，河南安鋼集團(tuán)舞陽礦業(yè)有限責(zé)任公司；

2017—2—3