礦用皮帶運輸機減速機斷軸分析

吳作江

（山西汾西礦業集團設計院， 山西 介休 032000）

引言

在煤礦開采過程中，皮帶運輸機驅動減速機使用期間經常發生輸入軸斷軸問題，甚至幾部運輸機會同時發生斷軸，嚴重影響了煤礦開采工作的順利進行。斷軸一般只是輸入軸發生斷裂，輸出軸很少發生斷裂。斷軸時，若發現斷軸裂處的茬口比較整齊，且端面垂直軸長度方向，則一般為疲勞斷裂。除此之外，地面皮帶機以及傾角運輸皮帶機均會發生減速機斷軸問題，煤礦企業應予以重視[1]。

1 皮帶運輸機減速機斷軸原因

1.1 斷軸外在原因

首先是所選皮帶運輸機減速機承載能力較低，實際使用期間，若實際煤炭運輸量大于設計運輸量，在長時間超載的情況下極易導致減速機發生斷軸。其次是制動輪與液力耦合器的動平衡較差，運行期間振動較大，當振動載荷達到某種程度時，減速機則會因疲勞而發生斷軸問題。再次是安裝同心度偏差過大，實際運輸期間，企業往往認為減速機屬于小設備，沒有嚴格按照說明書進行安裝，以致電機與減速機之間同心度較差，在軸上會產生附加力矩，長時間運行，減速機難免因疲勞出現斷軸。最后是減速機本身存在設計缺陷。

1.2 斷軸內在原因

一是減速機輸入軸斷裂處存在較大應力，輸入軸過渡圓角曲率半徑較小，應力更為集中，嚴重時則會發生疲勞斷軸。二是減速機為硬齒面，輸入軸直徑較小，雖然強度滿足標準，但由于軸身較細，以致發生應力集中問題，發生疲勞損壞。三是減速機輸入軸材料選擇或熱處理工作沒有到位。

2 減速機斷軸改進措施

2.1 選擇正規廠家的減速機設備

煤礦開采屬于高危行業，為了增強施工作業的安全性，企業必須選擇正規廠家且質量合格的機械設備。皮帶運輸機減速機在開采期間占據十分重要的作用，為了保障開采工作的順利進行，企業必須選擇正規廠家生產的設備，降低斷軸問題的發生幾率。

2.2 提高減速機的安裝精度

在安裝減速機時，技術人員應利用先進儀器做好找正工作，比如激光儀或者百分表等。且還應將減速機與電機連接精度控制在一定范圍內，確保兩者軸的同心度偏差小于0.01 mm，且還應盡量避免重載頻繁啟動[2]。

2.3 確保減速機在額定功率下運行

皮帶運輸機減速機長時間超出額定功率運輸是斷軸的主要引發因素，為了提高減速機運行的安全性，煤礦企業必須指派專人做好監控工作，確保減速機運行時保持額定功率。同時，良好的潤滑也是減速機正常運行的基本保證，對此，技術人員還應重視軸承的潤滑工作，以防摩擦力過大。同時，還應定期檢查高低速軸聯軸器，確保油位尺上下刻度線保持在中間位置。

2.4 加強設備的檢修與保養力度

技術人員應有效確保減速機軸承的潤滑效果，并定期檢查潤滑油位，確保其保持在油位尺豎直刻度線的中間位置。在檢修設備過程中，若發現設備出現振動異常或噪音異常問題，技術人員應立馬停機檢查，并逐一檢測減速機、電機緊固螺栓等部位，一旦發現松動情況，不論松動幅度大小都應采取緊固處理措施。除此之外，還應經常檢查高低速軸聯軸器設備，且側重同軸檢查。若同軸度不符合基本標準，還應做好加減熱片的處理工作，根據不平行端面及前后方向誤差及時調整減速機與電機四個角頂絲。

3 某煤礦皮帶運輸機減速機斷軸分析與改進

3.1 斷軸分析

某煤礦生產企業皮帶運輸機減速機在使用一段時間后，減速機輸入軸斷裂。此皮帶運輸機采用了三級直交軸減速機，輸入軸主要通過耦合器以及聯軸器與電機連接，其電機功率為315 kW，輸入轉數為1 470 r/min。在發生斷軸問題后，技術人員利用直讀光譜儀檢查了鍛件的化學成分，檢測了C、Si、Mn、P、S等化學元素的含量，發現化學成分符合標準要求，具體情況如表1所示。

表1 化學成分檢測含量表 %

之后對試樣進行硬度試驗，得出軸段硬度符合基本設計要求。利用超聲波進行探傷檢驗，發現斷軸內部沒有其他缺陷，斷口附近也不存在裂紋[3]。

本減速機斷軸斷口位于圓錐滾子軸承的中間部位，且斷口呈貝殼狀，確定為疲勞斷裂，具體如圖1所示。經觀察發現主源與次生源兩個疲勞源，分析斷口裂紋長度及走向可知，裂紋主要向軸外向兩端轉移，這是由于拉應力突然變大。由斷軸整體分析，裂紋起源于主源，并向中間擴展，之后隨著應力的不斷增大，形成次生源。斷口整體比較新鮮，在清洗后可見金屬光澤。同時，斷口表面除45%左右面積被磨損外，斷口整體比較粗糙，不存在反復摩擦的痕跡。這表明斷軸主要因應力疊加交變扭轉剪應力造成，主要為扭轉疲勞[4]。

之后根據皮帶運輸機減速機的電機功率等參數計算應力，且主要計算傳動力矩、徑向力、軸向力、斷裂部位及周圍剪應力、斷裂部位及周圍拉應力等，分析統計計算結果可知，減速機斷軸部位的拉應力較大，且因扭轉產生的剪應力也不斷增大，以致超載發生疲勞斷裂問題。

本臺減速機軸端安裝了耦合器，電機軸較粗，但也只是承擔很小部分的徑向力，減速機軸端承載了更多應力。其受耦合器自身質量的影響，電機軸應力不平衡，加之安裝不同心，以致減速機輸入軸在附加徑向力作用下加速斷裂。

圖1 斷口全貌圖

3.2 斷軸技術改進措施

1）嚴格控制減速機的安裝工作，提高安裝精度，且使用激光對中儀等先進的儀器找正減速機與電機。同時，還將電機與減速機的連接精度控制在標準范圍內，確保兩者軸的同心度偏差保持在0.01 mm范圍內。且期間盡量減少電機的起動，尤其避免重載頻繁啟動電機，做好保護工作。

2）改變液力耦合器的安裝形式，為了確保電機軸承與減速機軸承均勻分配受到的應力，減少減速機輸入軸受力，將液力耦合器安裝于電機端，以確保減速機與電機的安全使用。

4 結語

皮帶運輸機具備結構簡單、運輸量大且維修便捷等優勢，因而在煤礦生產中得到了廣泛利用。有效解決減速機斷軸問題，可在保證煤礦安全生產的基礎上提高其開采效率，減少停工次數，降低成本，增加收益。