某礦副井天輪失效分析

張全平

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)，山西 介休 032000）

某礦副井天輪失效分析

張全平

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)，山西 介休 032000）

從提升機(jī)與天輪的布置形式、載荷、結(jié)構(gòu)等方面，分析了某礦φ4 m大型天輪早期失效機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲較大的原因。

天輪失效；偏載；軸向力；軸承

1 副井提升系統(tǒng)概況及天輪使用情況

1.1 副井提升系統(tǒng)概況

某煤礦副井采用立井開(kāi)拓方式，井筒直徑8.0 m，裝備兩套提升容器，一套為1.5 t礦車(chē)雙層四車(chē)寬罐配平衡錘系統(tǒng)；另一套為1.5 t礦車(chē)雙層四車(chē)窄罐配特制高罐系統(tǒng)。除提升矸石、升降人員和物料外，寬罐還擔(dān)負(fù)升降整體大型設(shè)備的任務(wù)。寬、窄罐在提升矸石及下放物料時(shí)為雙層四車(chē)配載，井口、井底采用沉罐方式裝罐，高罐下放長(zhǎng)材時(shí)其對(duì)側(cè)窄罐應(yīng)配四輛空車(chē)或兩輛重車(chē)。井口、井底設(shè)人員上下平臺(tái)，兩層同時(shí)進(jìn)出罐。

采用落地式摩擦提升系統(tǒng)，兩套提升機(jī)布置在同一側(cè)，為避免干涉兩臺(tái)提升機(jī)在平面布置上提升機(jī)軸線相對(duì)于天輪軸線偏轉(zhuǎn)1°（見(jiàn)圖1的提升系統(tǒng)布置圖）。

圖1 提升系統(tǒng)布置圖

提升機(jī)為JKMD-4X4(Z)型落地式多繩摩擦輪提升機(jī)，主導(dǎo)輪直徑為φ4 m，提升鋼絲繩直徑為φ40 mm，天輪直徑為φ4 m。

1.2 副井天輪使用情況

該煤礦副井提升系統(tǒng)1996年5月正式投入使用。在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)提升系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)天輪噪聲較大，高于同類(lèi)煤礦天輪運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲水平。2001年5月其中一套天輪發(fā)生故障，表現(xiàn)為一側(cè)軸承失效，滾子研磨變形并脫落、保持架完全損壞。經(jīng)檢查軸承座的密封沒(méi)有損壞，軸承座內(nèi)沒(méi)有侵入泥、水等雜質(zhì)。2003年6月又有一套天輪的固定端支座軸承損壞，檢查發(fā)現(xiàn)軸承外圈剝蝕，其中有長(zhǎng)10 mm，寬5 mm，深2 mm的剝蝕坑。高罐天輪的輪轂連接螺栓斷裂過(guò)兩次，軸瓦磨損嚴(yán)重，有銅屑溢出。

天輪是提升系統(tǒng)內(nèi)的一個(gè)重要單元，按《煤炭安全規(guī)程》規(guī)定必須每天檢查，并作檢查記錄。天輪的安全可靠性對(duì)煤礦安全生產(chǎn)影響極大。大型模壓天輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本較高，使用壽命一般在20年以上，而此礦有的天輪僅使用7年就失效，應(yīng)認(rèn)真分析原因，積極采取改善措施。

2 副井天輪技術(shù)參數(shù)驗(yàn)算及分析

2.1 技術(shù)參數(shù)驗(yàn)算

在4個(gè)提升容器中，寬罐所受載荷最大，現(xiàn)以寬罐為例驗(yàn)算天輪的受力。

2.1.1 天輪徑向力Fj

表1 主提升鋼絲繩終端張力（F繩）表

表2天輪徑向載荷（Fj）表

2.1.2 天輪軸向力FZ

由于提升機(jī)主導(dǎo)輪軸線相對(duì)于天輪軸線有1°夾角，運(yùn)行中天輪受到軸向力作用。

式中：F繩：鋼絲繩終端載荷；

α：提升鋼絲繩與天輪中心線夾角，α=1°。

表3 天輪軸向力（FZ）表

2.1.3 提升機(jī)軸向力FZT

式中：F繩：鋼絲繩最大繩端載荷；

β：提升機(jī)主導(dǎo)輪中心線與提升鋼絲繩夾角，β=1°。

表4 提升機(jī)軸向力（FZT）表

2.1.4 輪體強(qiáng)度校核

2.1.4.1 受力分析

輻受力情況比較復(fù)雜。天輪在旋轉(zhuǎn)式每根輪輻都承受重復(fù)的交變載荷，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到圍包角范圍內(nèi)受壓，在圍包角范圍以外大部分受拉。此外，輪輻在繩槽對(duì)稱(chēng)平面還產(chǎn)生彎曲變形。按行業(yè)通用方法，將輪輻視為一根壓桿進(jìn)行穩(wěn)定校核，不考慮彎曲變形的影響，按照鋼絲繩破斷時(shí)位于鋼絲繩圍包范圍內(nèi)的輪輻所受的瞬時(shí)載荷（為最大值）進(jìn)行計(jì)算。

2.1.4.2 穩(wěn)定性校核

（1）輪輻基本參數(shù)

（2）計(jì)算載荷N：

取相鄰兩輪輻之間的的輪緣上的徑向壓力的合力N為計(jì)算載荷：

式中S0：絲破斷拉力總和，主提升鋼絲繩選用6×25TS（12/121）BR（9/3）FC/40ZAB6V×37S+FC，鋼絲破斷拉力總和為 1 215 kN。

11.25°：兩輪輻之間的夾角

（3）輪輻柔度λ

式中：μ：長(zhǎng)度系數(shù)，模壓天輪輪輻按兩端鉸接計(jì)算，μ=1；

l：輪輻計(jì)算長(zhǎng)度，l=1.45 m；

i：輪輻慣性半徑，i=5.34 mm。

（4）輪輻許可壓力 A〔σw〕

式中ф與P壓桿縱向彎曲時(shí)許用應(yīng)力折減系數(shù)，根據(jù)柔度λ查表ф=0.96；

l：輪輻計(jì)算長(zhǎng)度，l=1.45 m；

i：輪輻慣性半徑，i=5.34 mm。

（5）計(jì)算結(jié)果

N

2.1.5 軸承壽命校核

（1）輪軸徑向負(fù)荷FZJ

式中α：提升機(jī)出繩仰角之半，α=35°/2=17.5°

Q：天輪自重，Q=246 kN

F繩：主提升鋼絲繩終端載荷，取平均值F繩=546 kN

（2）每個(gè)軸承徑向負(fù)荷Fr

（3）固定軸承徑向負(fù)荷Fa

（4）當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷Fa

（5）核算 Lh

按常規(guī)取Lh=13 000 h，則所需當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷C1為：

原天輪采用3113776雙列向心球面滾子軸承，C1=2380kN，則原天輪軸承壽命Lh=5 600 h。

可見(jiàn)，由于軸向力影響，原天輪軸承使用壽命遠(yuǎn)低于常規(guī)天輪的使用壽命（Lh=13 000 h）。

2.2 失效原因分析

天輪工作于低速重載、頻繁起動(dòng)、反復(fù)變向、變速及制動(dòng)的工作狀態(tài)，工況較惡劣，采用張力自平衡懸掛裝置后，在一個(gè)提升循環(huán)中，一組天輪之間的相對(duì)滑動(dòng)比較頻繁，相對(duì)轉(zhuǎn)角比較大，最大可達(dá)180°，因此對(duì)軸瓦的潤(rùn)滑要求較高。

2.2.1 軸承失效原因分析

由于天輪安裝條件較差，安裝精度難以保證，井架受力后難免有些變形，固很難保證兩側(cè)軸承的同心度，因此需選用調(diào)心軸承。此礦天輪采用GB286-64 3113776型雙列向心球面滾子軸承。雙列向心球面滾子軸承調(diào)心性好，但承受軸向負(fù)荷的能力較差。在天輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為滿足軸的熱脹冷縮效應(yīng)，有一端軸承是可以軸向游動(dòng)的。這樣，當(dāng)天輪受軸向力時(shí)，只能由固定側(cè)軸承的一排滾子承受，由于滾子受力不均勻邊緣應(yīng)力很大，會(huì)引起滾子和滾道的早期點(diǎn)蝕，繼而造成軸承過(guò)早失效。由前面計(jì)算可知，當(dāng)承受軸向力時(shí)，以平均繩端荷載計(jì)算，計(jì)算壽命為5 600 h，低于常規(guī)13 000 h，軸承疲勞壽命大大降低。

2.2.2 噪聲異常分析

天輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)出噪聲，經(jīng)分析有以下幾個(gè)原因：

（1）加工過(guò)程中，如果消除應(yīng)力不徹底，或者在組裝過(guò)程中產(chǎn)生了裝配應(yīng)力，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)這種應(yīng)力會(huì)引起噪聲。

（2）軸瓦的固定裝置由于交變應(yīng)力作用后產(chǎn)生開(kāi)焊，導(dǎo)致軸瓦與軸之間產(chǎn)生相互運(yùn)動(dòng)，這時(shí)也會(huì)引起噪聲。

（3）天輪輪輻受力情況比較復(fù)雜。天輪在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)每根輪輻都承受反復(fù)的交變載荷，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到圍包角范圍內(nèi)時(shí)受壓，在圍保角范圍以外大部分受拉。當(dāng)天輪受軸向力時(shí)，輪輻在繩槽對(duì)稱(chēng)平面還產(chǎn)生彎曲變形。由于制造難度和運(yùn)輸方面的原因，輪緣制成對(duì)稱(chēng)剖分式的，組裝使用螺栓連接。由于整體剛性較差，輪輻、輪緣在交變載荷的作用下產(chǎn)生應(yīng)力與應(yīng)變，發(fā)出噪聲。

2.2.3 軸瓦磨損分析

軸瓦正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，允許有一定的磨損量，由于安裝誤差，導(dǎo)致受力不均勻，或軸瓦松動(dòng)、潤(rùn)滑不充分或潤(rùn)滑脂變質(zhì)時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重磨損或燒瓦現(xiàn)象。

2.2.4 連接螺栓斷裂分析

若螺栓緊固力矩不夠，在受到徑向和軸向交變載荷作用下，可能發(fā)生松動(dòng)。連接松動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊振動(dòng)載荷，就會(huì)引起螺栓疲勞斷裂。

2.2.5 天輪結(jié)構(gòu)分析

限于當(dāng)時(shí)條件，對(duì)這種低速重載荷的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)、手法都不是完全成熟，例如，軸瓦與輪轂采用單鍵連接，偏弱，導(dǎo)致輪轂上固定鍵的擋塊易開(kāi)焊，從而產(chǎn)生松動(dòng)，潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)也不是很合理。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，由于布置原因?qū)е绿燧喪茌^大軸向力，加上天輪結(jié)構(gòu)上的不足，及安裝誤差和井架受力后產(chǎn)生變形導(dǎo)致受力不均勻是產(chǎn)生故障的原因。

The Analysis of Sheave Failure in an Auxiliary Shaft

Zhang Quanping

The article,from the arrangement form,load and structure aspects of elevator and sheave,analyzesφ4 m large-scale sheave machine's earlyfailure causingnoisyoperation in a mining.

sheave failure;partial load;axial force;bearing

TD652

A

1000-8136(2011)05-0014-03