礦用皮帶運輸機減速機斷軸分析

吳作江

（山西汾西礦業(yè)集團設(shè)計院， 山西 介休 032000）

引言

在煤礦開采過程中，皮帶運輸機驅(qū)動減速機使用期間經(jīng)常發(fā)生輸入軸斷軸問題，甚至幾部運輸機會同時發(fā)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(fā)生斷裂，輸出軸很少發(fā)生斷裂。斷軸時，若發(fā)現(xiàn)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(fā)生減速機斷軸問題，煤礦企業(yè)應(yīng)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(shè)計運輸量，在長時間超載的情況下極易導(dǎo)致減速機發(fā)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(dāng)振動載荷達到某種程度時，減速機則會因疲勞而發(fā)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(yè)往往認為減速機屬于小設(shè)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(chǎn)生附加力矩，長時間運行，減速機難免因疲勞出現(xiàn)斷軸。最后是減速機本身存在設(shè)計缺陷。

1.2 斷軸內(nèi)在原因

一是減速機輸入軸斷裂處存在較大應(yīng)力，輸入軸過渡圓角曲率半徑較小，應(yīng)力更為集中，嚴重時則會發(fā)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(fā)生應(yīng)力集中問題，發(fā)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(guī)廠家的減速機設(shè)備

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

2.2 提高減速機的安裝精度

在安裝減速機時，技術(shù)人員應(yīng)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(yīng)將減速機與電機連接精度控制在一定范圍內(nèi)，確保兩者軸的同心度偏差小于0.01 mm，且還應(yīng)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(fā)因素，為了提高減速機運行的安全性，煤礦企業(yè)必須指派專人做好監(jiān)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(shù)人員還應(yīng)重視軸承的潤滑工作，以防摩擦力過大。同時，還應(yīng)定期檢查高低速軸聯(lián)軸器，確保油位尺上下刻度線保持在中間位置。

2.4 加強設(shè)備的檢修與保養(yǎng)力度

技術(shù)人員應(yīng)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(shè)備過程中，若發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)振動異常或噪音異常問題，技術(shù)人員應(yīng)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(fā)現(xiàn)松動情況，不論松動幅度大小都應(yīng)采取緊固處理措施。除此之外，還應(yīng)經(jīng)常檢查高低速軸聯(lián)軸器設(shè)備，且側(cè)重同軸檢查。若同軸度不符合基本標準，還應(yīng)做好加減熱片的處理工作，根據(jù)不平行端面及前后方向誤差及時調(diào)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(chǎn)企業(yè)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(lián)軸器與電機連接，其電機功率為315 kW，輸入轉(zhuǎn)數(shù)為1 470 r/min。在發(fā)生斷軸問題后，技術(shù)人員利用直讀光譜儀檢查了鍛件的化學(xué)成分，檢測了C、Si、Mn、P、S等化學(xué)元素的含量，發(fā)現(xiàn)化學(xué)成分符合標準要求，具體情況如表1所示。

表1 化學(xué)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(shè)計要求。利用超聲波進行探傷檢驗，發(fā)現(xiàn)斷軸內(nèi)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(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)移，這是由于拉應(yīng)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(yīng)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(fù)摩擦的痕跡。這表明斷軸主要因應(yīng)力疊加交變扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力造成，主要為扭轉(zhuǎn)疲勞[4]。

之后根據(jù)皮帶運輸機減速機的電機功率等參數(shù)計算應(yīng)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(yīng)力、斷裂部位及周圍拉應(yīng)力等，分析統(tǒng)計計算結(jié)果可知，減速機斷軸部位的拉應(yīng)力較大，且因扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪應(yīng)力也不斷增大，以致超載發(fā)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(dān)很小部分的徑向力，減速機軸端承載了更多應(yīng)力。其受耦合器自身質(zhì)量的影響，電機軸應(yīng)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(shù)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(nèi)，確保兩者軸的同心度偏差保持在0.01 mm范圍內(nèi)。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(yīng)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(jié)語

皮帶運輸機具備結(jié)構(gòu)簡單、運輸量大且維修便捷等優(yōu)勢，因而在煤礦生產(chǎn)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(chǎn)的基礎(chǔ)上提高其開采效率，減少停工次數(shù)，降低成本，增加收益。