礦用帶式輸送機減速機斷軸分析

李嘉麒

（同煤集團王村煤業(yè)公司綜采二隊，山西 大同 037003）

王村煤礦帶式輸送機的減速機連接軸常出現(xiàn)斷裂情況，必須停機進(jìn)行維修更換，降低了主煤運輸系統(tǒng)的工作效率。2017年7月5日運行值班員在P2A皮帶機頭部聽見運行中的皮帶電動機振動突然增大，隨后檢修人員發(fā)現(xiàn)減速機輸入軸斷裂，約20mm長。技術(shù)部門為徹底解決減速機斷軸故障，從減速機連接軸的材質(zhì)、安裝、受力等方面進(jìn)行深入分析，力求找到連接軸發(fā)生斷裂的原因，從而有針對性地提出改進(jìn)措施，提高連接軸在正常狀態(tài)下的使用壽命，實現(xiàn)主運煤系統(tǒng)的高效安全運行。

1 對減速機斷軸進(jìn)行技術(shù)分析

王村煤礦帶式輸送機減速機采用進(jìn)口原裝優(yōu)質(zhì)硬齒面產(chǎn)品，采用強制外冷卻方式。彈性節(jié)液力耦合器具有良好的緩沖性和較低的過載系數(shù)，與電動機配合既可以確保皮帶機的滿載啟動，還能滿足皮帶在不同工況下安全運行而不增加皮帶張力的要求。帶式輸送機電機、彈性節(jié)液力耦合器、減速器的裝配圖如圖1所示。

圖1 帶式輸送機電機和減速器裝配圖

1.1 斷軸的理化分析

金屬化學(xué)成分光譜分析儀對斷軸進(jìn)行化學(xué)成分的檢測分析。檢測結(jié)果表明：鐵元素含量為96.8%，鉻元素含量為1.35%，鋁、硫、磷、鎳、碳、錳、硅、銅元素含量均在0.04%以下。該檢測數(shù)據(jù)表明斷軸的化學(xué)成分符合國家高承載力輸入軸的材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 探傷檢測制造缺陷

采用超聲波無損檢測探傷技術(shù)對減速機斷軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探傷檢測，檢測結(jié)果表明在該斷軸內(nèi)沒有夾砂、裂紋等加工、鑄造缺陷的存在，因此可以排除鑄造過程中的內(nèi)部缺陷而導(dǎo)致的斷軸。

1.3 對斷口進(jìn)行分析

對減速機斷軸的斷口的形狀和位置進(jìn)行觀察分析發(fā)現(xiàn)，斷裂點位于一個軸承的中部，其斷面形態(tài)為貝殼形，初步判定斷軸的斷口為疲勞斷裂，約50mm寬的外圈存在裂紋擴展區(qū)，Φ300mm以內(nèi)區(qū)域為瞬斷區(qū)，其校核設(shè)計的疲勞強度遠(yuǎn)高于實際運行強度。對40Cr鋼進(jìn)行化學(xué)分析后，成分均在規(guī)定范圍之內(nèi)。從斷軸的不同截面取樣，拉伸試驗及金相檢驗結(jié)果表明，脆性夾雜物為3.5級及4級，超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，金相組織為10%～20%體積分?jǐn)?shù)的鐵素體+珠光體，未達(dá)到全部索氏體組織；低倍組織檢驗結(jié)果表明在橫截面上存在大量疏松，在軸的3/4R處疏松密集，形成50mm寬的疏松帶。這表明早期斷軸的原因為材料冶金質(zhì)量和淬透性不足。

1.4 相關(guān)應(yīng)力參數(shù)的分析

為對帶式輸送機傳動參數(shù)進(jìn)行分析并設(shè)定，通過對中點分度圓切向力、變速軸的輸出力矩、徑向剪應(yīng)力、軸向拉應(yīng)力以及斷裂點的應(yīng)力數(shù)值分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該減速機傳動系統(tǒng)在工作時，斷裂點受到很大的拉應(yīng)力，使減速軸偏離中心位置，進(jìn)而產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，拉應(yīng)力與剪應(yīng)力反復(fù)疊加在減速軸上成為了疲勞應(yīng)力，導(dǎo)致連接軸的斷裂。

1.5 液力耦合器的工作狀態(tài)分析

（1）彈性節(jié)液力耦合器自重較大，在以往的安裝中安裝位置在減速機端。該工作狀態(tài)使得減速軸受到較大的徑向應(yīng)力，并且作用在減速機的輸出端，結(jié)果導(dǎo)致了連接軸的受力不均衡，動平衡差，在該狀態(tài)下容易發(fā)生斷軸故障。（2）在電機、彈性節(jié)液力耦合器與連接軸進(jìn)行裝配時存在較大的裝配誤差，耦合器與連接軸同心度差，連接軸自身具有的應(yīng)力會加速剪應(yīng)力的增加，導(dǎo)致連接軸的快速斷裂。

2 改進(jìn)措施分析

針對王村煤礦皮帶減速機斷軸故障發(fā)生的原因，該礦采取了以下的改進(jìn)技術(shù)措施。

（1）提高設(shè)備裝配的精密度。在減速機安裝時，采用百分表對電機、液力耦合器、聯(lián)軸器的中心線進(jìn)行校核，保障三者都處在同一中心線上，同軸度誤差必須控制在±0.01mm內(nèi)，防止自身附加應(yīng)力的產(chǎn)生而加速剪應(yīng)力的增加。

（2）帶式輸送機的頻繁啟停也會對減速軸產(chǎn)生額外的沖擊應(yīng)力，在皮帶機重載作業(yè)期間必須保持工作的連續(xù)性，不要隨意地對設(shè)備進(jìn)行啟停。

（3）將彈性節(jié)液力耦合器的安裝位置調(diào)整到電機輸出軸一側(cè)，可以使電機輸出軸承載力和減速軸承載力均勻分布在連接軸上，該措施可以減少連接軸的受力情況，降低連接軸斷裂故障發(fā)生的可能性。

（4）加強對減速機及連接軸的檢查和維修保養(yǎng)，并定期更換潤滑油，讓連接軸處在順暢的轉(zhuǎn)動狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)振動過大或是噪音過大等異常狀況時，需要及時停機檢修，排除異響后再繼續(xù)工作。

3 改造效果分析

經(jīng)過以上優(yōu)化改造后，王村煤礦皮帶減速機的傳動系統(tǒng)在實踐應(yīng)用過程中整體運行穩(wěn)定，運行期間噪音大幅度降低，無連接軸斷裂的故障發(fā)生，保障了主運輸系統(tǒng)的工作的順利進(jìn)行。本次減速機斷軸項目的成功改造，消除了減速機斷軸現(xiàn)象的發(fā)生，大大降低了皮帶機停機檢修的次數(shù)，保障了主運輸系統(tǒng)的安全運行，為企業(yè)創(chuàng)造了較好的安全效益和經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

本文以王村煤礦皮帶機斷軸為研究對象，采用多種技術(shù)對該減速機斷軸故障進(jìn)行全方面的分析，確定了斷軸的主要原因是液力耦合器安裝位置不當(dāng)和裝配精度不夠。針對以上情況進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，提高了設(shè)備裝配的精密度，降低了皮帶機重載下的啟停次數(shù)，調(diào)整了液力耦合器的安放位置，制定了合理的維修保養(yǎng)方案。實踐應(yīng)用證明該優(yōu)化技術(shù)措施消除了斷軸故障，提高了皮帶機的工作效率，實現(xiàn)主運煤系統(tǒng)的高效安全運行。