煤礦皮帶運(yùn)輸機(jī)的減速裝置斷軸分析及改進(jìn)

韓 龍

（陽煤集團(tuán)山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

近年來，隨著采煤技術(shù)及井下運(yùn)輸設(shè)備的不斷發(fā)展，皮帶運(yùn)輸機(jī)作為輸送系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的機(jī)械設(shè)備已經(jīng)得到了煤礦企業(yè)的普遍認(rèn)可，其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)煤量大、井下作業(yè)人員操作與維修容易，不僅承擔(dān)著煤礦企業(yè)的輸送任務(wù)，而且為保證煤礦生產(chǎn)的正常進(jìn)行提供了依靠，極大地確保了煤礦產(chǎn)煤的穩(wěn)定性，因此被煤礦企業(yè)廣泛應(yīng)用。但是由于機(jī)械制造水平的提高，皮帶運(yùn)輸機(jī)的功率以及負(fù)荷在不斷增大，在這種情況下，與皮帶運(yùn)輸機(jī)配套使用的減速裝置常常會(huì)發(fā)生斷軸現(xiàn)象，給煤礦正常生產(chǎn)活動(dòng)的進(jìn)行帶來了極大的阻礙。而造成皮帶運(yùn)輸機(jī)減速裝置的輸入軸斷裂的原因各有不同，需要根據(jù)礦井以及生產(chǎn)的實(shí)際情況，從設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造，以及設(shè)備的安裝、使用等方面出發(fā)，對(duì)輸入軸斷裂的原因進(jìn)行詳細(xì)分析，以找到軸斷裂的根本原因，從而提出減少軸斷裂的有效措施，保證煤礦的安全生產(chǎn)以及穩(wěn)定的產(chǎn)煤量。

1 煤礦皮帶運(yùn)輸機(jī)斷軸現(xiàn)象分析

本研究針對(duì)某礦皮帶運(yùn)輸機(jī)減速裝置所發(fā)生的斷軸現(xiàn)象，從多個(gè)不同的方面對(duì)事故發(fā)生的原因進(jìn)行詳細(xì)分析，具體事故情況為:該礦在進(jìn)行煤炭的生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)皮帶運(yùn)輸機(jī)使用一段時(shí)間后，其減速裝置就會(huì)發(fā)生故障，具體表現(xiàn)為減速裝置的輸入軸位置發(fā)生了斷裂。其設(shè)備情況為:煤礦井下的皮帶運(yùn)輸機(jī)所采用的減速裝置為三級(jí)直交軸減速機(jī)，且該減速機(jī)的輸入軸與電機(jī)不是直接連接的，他們之間還存在著兩個(gè)連接元件，液力耦合器以及聯(lián)軸器。除此之外，在整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行過程中，電機(jī)的額定功率為300 kW，而輸入的轉(zhuǎn)速為24 r/s。皮帶運(yùn)輸機(jī)中減速裝置與電機(jī)的連接如圖1所示。

圖1 減速機(jī)與電機(jī)連接示意圖

1.1 化學(xué)成分分析

由于減速裝置發(fā)生了斷軸現(xiàn)象，所以首先從發(fā)生斷裂的部件出發(fā)，對(duì)減速裝置的輸入軸進(jìn)行化學(xué)成分分析，以判斷該輸入軸本身是否符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。在此，我們采用的是直讀光譜儀來對(duì)減速裝置輸入軸的化學(xué)成分進(jìn)行檢驗(yàn)和分析，通過測(cè)試可知，C、Si、Mo、Ni以及 Cu 的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）均在0.5%以下，P、S以及Al的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在0.05%以下，Mr、Cr的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在1.5%以下，而Fe的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在96.5%以下，因此該輸入軸的化學(xué)成分及含量均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，輸入軸在設(shè)計(jì)制造上是不存在問題的。

1.2 硬度檢驗(yàn)

當(dāng)減速裝置輸入軸的硬度不達(dá)標(biāo)時(shí)，在超負(fù)荷運(yùn)行情況下，輸入軸也常常會(huì)發(fā)生斷軸現(xiàn)象，因此有必要對(duì)輸入軸的硬度進(jìn)行檢驗(yàn)，一般而言會(huì)選取兩個(gè)試樣，一個(gè)試樣是在斷裂處選取，另一個(gè)試樣是在距離斷裂處一定位置的原始表面上選取，然后對(duì)這兩個(gè)試樣進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果顯示，表面的檢測(cè)硬度（HRC）為 55～57，而內(nèi)部的檢測(cè)硬度（HRC）為32～37，均符合軸段硬度的設(shè)計(jì)要求，故輸入軸的硬度也是不存在問題的。

1.3 探傷檢驗(yàn)

在設(shè)計(jì)制造輸入軸的過程中，由于加工工藝的不足可能會(huì)使輸入軸內(nèi)部出現(xiàn)缺陷，一旦輸入軸內(nèi)部存在問題也極易發(fā)生斷裂，因此需要對(duì)輸入軸內(nèi)部進(jìn)行探傷檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)的方法是超聲波檢驗(yàn)，通過檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在輸入軸內(nèi)部是不存在傷痕的；其次需要對(duì)輸入軸內(nèi)部的裂紋進(jìn)行檢驗(yàn)，通過在斷口附近進(jìn)行著色探傷檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)沒有裂紋，因此對(duì)減速裝置的輸入軸來說，是不存在內(nèi)部缺陷的。

1.4 軸斷口分析

1.4.1 斷口位置及形狀分析

當(dāng)減速裝置的輸入軸發(fā)生斷裂時(shí)，由于受力情況的不同，發(fā)生斷軸的位置以及斷口的形狀也是不同的。在此次煤礦的皮帶運(yùn)輸機(jī)故障事故中，發(fā)生斷裂處的位置是在圓錐滾子軸承的中間部位；同時(shí)經(jīng)過初步觀察可知，其斷裂形狀為貝殼狀，具有典型的疲勞斷裂的特征，因此可以大致判斷該斷軸處的斷裂花紋為疲勞斷裂[1]。

1.4.2 疲勞源分析

同時(shí)經(jīng)過仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)生疲勞斷裂的源頭有兩個(gè)，其中一個(gè)是主要源頭，另一個(gè)是次要源頭。對(duì)斷裂的位置以及斷口形狀進(jìn)行分析以后，又對(duì)裂紋的長度以及斷裂的方向做出了分析，結(jié)果顯示該裂紋是由內(nèi)向外發(fā)展的，即裂紋是從輸入軸斷裂的位置處向輸入軸的兩端延伸的，造成這種現(xiàn)象的原因是拉應(yīng)力以及剪應(yīng)力在不斷地增加。而從輸入軸斷裂的整體情況來看，裂紋從主源中產(chǎn)生，產(chǎn)生之后就開始向中間擴(kuò)展，當(dāng)應(yīng)力越來越大時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)次生源。除此之外還對(duì)斷裂處的前沿線進(jìn)行了分析，通過分析可知，斷裂發(fā)生在磨損程度較為嚴(yán)重的區(qū)域，其斷口并沒有多次受到磨損的痕跡，且斷口較為新鮮，雖然上面覆蓋著皮帶運(yùn)輸機(jī)的潤滑油，但經(jīng)過清洗以后，可以清晰的看到斷口處的金屬光澤，且由于擠壓金屬?zèng)]有受到沉積碳的影響，其斷口處有一個(gè)約10mm的白斑，并保留著與斷口處一樣的光澤。通過對(duì)整個(gè)斷口進(jìn)行分析可知，除了有45%左右的斷口面積受到了摩擦的損耗以外，其余部分并沒有反復(fù)多次摩擦的痕跡，因此在整個(gè)斷裂過程中，起到主要作用的是拉應(yīng)力，隨著拉應(yīng)力的不斷增大，會(huì)造成剪應(yīng)力的扭轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)疲勞的發(fā)生，使減速裝置的輸入軸發(fā)生斷裂。

1.5 相關(guān)應(yīng)力參數(shù)分析

在設(shè)計(jì)制造皮帶運(yùn)輸機(jī)時(shí)，通常需要根據(jù)電機(jī)的額定功率以及輸入轉(zhuǎn)數(shù)等情況進(jìn)行相關(guān)應(yīng)力參數(shù)的計(jì)算，其計(jì)算的主要參數(shù)包括：輸入軸的傳動(dòng)力矩，沿軸向以及沿徑向方向的應(yīng)力，中點(diǎn)分度圓切向力以及斷裂位置處的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力。在計(jì)算了這些相關(guān)參數(shù)后，需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，結(jié)果表明，在減速裝置輸入軸斷裂的地方會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，而隨著這部分拉應(yīng)力的增大，因扭轉(zhuǎn)作用而產(chǎn)生的剪應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)的增大，從而在這兩種應(yīng)力的同時(shí)作用下，發(fā)生疲勞斷裂。

1.6 液力耦合器安裝方式分析

對(duì)于該皮帶運(yùn)輸機(jī)的減速裝置來說，其輸入軸兩端安裝的是液力耦合器，具有較大的重量，而對(duì)于電機(jī)輸入軸來說，雖然軸的半徑較大，但是只有少量的徑向力，此時(shí)大部分的徑向力都集中在減速裝置輸入軸的兩端，同時(shí)由于液力耦合器自身的重量，電機(jī)軸所受到的應(yīng)力嚴(yán)重不平衡。更為糟糕的是由于安裝時(shí)的誤差，耦合器與軸并沒有位于同一個(gè)圓心上，因此會(huì)產(chǎn)生附加的應(yīng)力值，該應(yīng)力作用在聯(lián)軸器靠近電機(jī)軸的位置，從而加速剪應(yīng)力的增加，使軸更快的發(fā)生斷裂。

2 斷軸原因綜合分析

對(duì)該礦皮帶運(yùn)輸機(jī)減速裝置發(fā)生斷軸現(xiàn)象的原因進(jìn)行了一系列的分析計(jì)算可知，該減速裝置發(fā)生斷軸的原因主要有以下三個(gè)方面。

1）該輸入軸是由于疲勞而發(fā)生斷裂的。具體表現(xiàn)在當(dāng)皮帶運(yùn)輸機(jī)正常工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極大的拉應(yīng)力，而這部分拉應(yīng)力在進(jìn)行疊加的過程中會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力，該剪應(yīng)力會(huì)造成輸入軸的扭轉(zhuǎn)，當(dāng)扭矩過大時(shí)，輸入軸就會(huì)發(fā)生斷裂。在斷裂發(fā)生后，對(duì)斷口的位置以及形狀進(jìn)行分析可知，該斷裂屬于扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。同時(shí)通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，在終端位置處，斷裂大大減少，但在斷口的附近位置處卻存有在許多的裂紋，這說明了此次斷裂所產(chǎn)生的交變應(yīng)力不大，但是由于該減速裝置所承受的負(fù)荷發(fā)生了重復(fù)的波動(dòng)，所以使交變應(yīng)力緩慢增加[2]。

2）液力耦合器與減速裝置的安裝位置不同心[3]。具體表現(xiàn)在由于在皮帶運(yùn)輸機(jī)的安裝過程中，減速裝置所在的軸心與液力耦合器的軸心不在同一直線上，因此產(chǎn)生了多余的應(yīng)力，對(duì)減速裝置的輸入軸產(chǎn)生了作用；同時(shí)當(dāng)安裝位置不同心時(shí)，軸承之間就會(huì)產(chǎn)生擠壓，從而發(fā)生摩擦，導(dǎo)致輸入軸的斷裂。

3）液力耦合器安裝形式的不合理。具體表現(xiàn)在液力耦合器安裝到了輸入軸的兩端，造成了電機(jī)受力的不平衡，從而使軸承的受力不均勻，輸入軸發(fā)生斷裂。在安裝液力耦合器時(shí)，比較好的安裝方式是把液力耦合器安裝到電機(jī)軸的兩端，使電機(jī)軸所受到的應(yīng)力與輸入軸所受到的應(yīng)力平衡，在減小拉剪應(yīng)力的同時(shí)確保電機(jī)軸的安全性。

3 皮帶運(yùn)輸機(jī)減速裝置改進(jìn)措施

1）在對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的減速裝置進(jìn)行安裝時(shí)，要提高安裝的精度，盡量使減速裝置的輸入軸與電機(jī)軸的軸心在同一條直線上，以避免兩者之間的相互摩擦。為了確保這兩個(gè)軸心在一條直線上，可以采用相關(guān)的儀器來進(jìn)行對(duì)正，比如激光對(duì)中儀或者百分表，從而將兩者之間的安裝誤差控制在0.01mm以內(nèi)。同時(shí)在皮帶運(yùn)輸機(jī)正常運(yùn)行的過程中，要盡量減少啟動(dòng)的次數(shù)，特別是重載啟動(dòng)[4]。

2）改變液力耦合器的安裝形式，將其安裝在電機(jī)軸的兩端，使電機(jī)軸受到的應(yīng)力與輸入軸受到的應(yīng)力在軸承上均勻分配，從而減少軸承的受力，保證其安全使用。

3）加強(qiáng)設(shè)備的檢修與維護(hù)，按照相關(guān)的規(guī)定，每隔一段時(shí)間對(duì)軸承進(jìn)行檢查，定期更換潤滑油，保證軸承始終處于良好的潤滑狀態(tài)中，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的噪聲過大或者振動(dòng)不正常，要及時(shí)更換相關(guān)的部件，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

4 改進(jìn)效果分析及檢驗(yàn)

基于上述改進(jìn)措施，對(duì)該礦皮帶運(yùn)輸機(jī)減速裝置的液力耦合器等進(jìn)行更換以及重新安裝后，減少了電機(jī)軸的負(fù)擔(dān)，降低了過載系數(shù)，避免了斷軸事故的發(fā)生。并且將此皮帶運(yùn)輸機(jī)應(yīng)用于實(shí)際礦井后也可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行情況正常，運(yùn)煤能力也大大提高，保證了煤礦的穩(wěn)定產(chǎn)煤量[5]。除此之外還對(duì)輸入軸進(jìn)行了探傷檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果顯示該輸入軸正常，在內(nèi)部未產(chǎn)生斷裂以及裂紋，因此此次改進(jìn)為煤礦的安全運(yùn)行做出了良好的保證。

5 結(jié)語

以上改進(jìn)措施的實(shí)施，可加強(qiáng)皮帶輸送機(jī)減速裝置輸入軸的強(qiáng)度。通過改變液力耦合器的安裝方式以及加強(qiáng)檢修與維護(hù)等可減少斷軸現(xiàn)象的發(fā)生，并在保證皮帶運(yùn)輸機(jī)正常工作的前提下，提高運(yùn)煤效率，保證煤礦的穩(wěn)定產(chǎn)煤量，同時(shí)為其他礦井出現(xiàn)類似斷軸問題的解決提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。