煤礦皮帶運輸機的減速裝置斷軸分析及改進*

甘彪彪

(西山煤電鎮(zhèn)城底礦機電科，山西 古交 030203)

0 引 言

隨著煤炭產(chǎn)量的不斷增加，對煤礦皮帶運輸機的承載能力要求也越來越大，皮帶運輸機作為煤炭運輸?shù)闹饕O(shè)備，使用頻率高、工作時間長、承載負(fù)荷大，在這種比較惡劣的工作環(huán)境中，經(jīng)常出現(xiàn)其減速裝置斷軸現(xiàn)象，這不但影響了煤炭的正常開采進度，而且給設(shè)備維修帶來了極大的困擾。筆者為了改變這一現(xiàn)象，從軸的材質(zhì)、安裝、受力等方面入手，對斷軸進行了技術(shù)分析，找出斷裂原因，根據(jù)具體原因，實施有效的改進措施，使其在正常的壽命周期內(nèi)不再發(fā)生斷裂現(xiàn)象，確保采掘工作的順利進行。

1 對斷軸進行技術(shù)分析

皮帶運輸機在正常的工作生產(chǎn)中，每經(jīng)過一段時間使用后，皮帶運輸機的動力電機與減速機之間的連接軸就會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象[1]。電機通過液力耦合器和聯(lián)軸器給減速機傳導(dǎo)動力；電機的動力額定輸出功率為300 kW，輸出轉(zhuǎn)速在24 r/min左右。電機和減速機之間的連接如圖1所示。

1.1 斷軸的理化分析

通過理化分析可以直接獲取斷軸材質(zhì)的化學(xué)成分，以此與高承載力輸入軸材質(zhì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相對比，判斷是否符合生產(chǎn)和使用標(biāo)準(zhǔn)。使用金屬成分光譜分析儀對減速軸進行化學(xué)成分的提取和檢驗，通過檢測可得：鎳、碳、錳、硅銅的含量都不超過0.5%，鋁、硫、磷的含量也0.05%以下，鉻的含量小于1.5%，鐵的含量超過了96.5%，由此數(shù)據(jù)判斷，該軸的化學(xué)成分達到了高承載力輸入軸材質(zhì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在材質(zhì)方面完全符合使用要求[2]。

圖1 電機和減速機裝配圖

1.2 探傷檢測制造缺陷

一些原件在初始鑄造過程中就可能出現(xiàn)夾砂、裂紋等內(nèi)部缺陷，這些從表面是無法觀察到的，如果高承載原件存在這樣的缺陷，很容易發(fā)生斷裂現(xiàn)象。我們使用探傷的手段對軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行檢測，探傷是使用超聲波或放射性，在不破壞原件的情況下對其內(nèi)部進行檢測，找出原件內(nèi)部的缺陷。經(jīng)過對減速軸的探傷檢測沒有發(fā)現(xiàn)夾砂、裂紋等加工、鑄造缺陷。

1.3 對斷口進行分析

(1) 對斷口的形狀和位置進行細(xì)致觀察分析。根據(jù)受力狀態(tài)的不同，發(fā)生斷裂時的斷口形態(tài)和斷點位置也會不同。此次發(fā)生減速軸斷裂的故障中，斷裂點位于一個軸承的中部，其斷面形態(tài)為貝殼形，是一種典型的受疲勞應(yīng)力而斷裂的形態(tài)，所以可以初步判定其性質(zhì)為疲勞斷裂。

(2) 查找疲勞應(yīng)力源。先將斷裂的減速軸取出、清洗后仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋有從中間向外兩側(cè)延伸的跡象，也就是從減速軸的斷點位置向軸兩端延伸，這是由于剪應(yīng)力和拉應(yīng)力反復(fù)疊加并逐漸增強所至[3]。從此情況來看斷電位置為主疲勞源，主源處先產(chǎn)生裂紋，然后從中間向兩側(cè)擴展，當(dāng)剪應(yīng)力和拉應(yīng)力逐漸變大，就會再產(chǎn)生一個次生源。另外對減速軸斷裂的前沿線繼續(xù)分析，對前沿線的分析發(fā)現(xiàn)，斷裂位置周圍區(qū)域的磨損情況比較嚴(yán)重，但斷口截面并沒有產(chǎn)生反復(fù)磨損的跡象，并且斷面新鮮，雖然有部分運輸機工作產(chǎn)生的油漬將其覆蓋，經(jīng)清理就可裸露出斷口處顆粒狀金屬光澤，因為被磨損擠壓的金屬沒有受到沉積碳的影響，其斷口處有一個約10 mm的白斑，并保留與斷口處一樣的光澤。通過對整個斷口進行分析可知，只有 39%左右的斷口面積被摩擦的損耗，其余部分并沒有反復(fù)多次摩擦的痕跡，因此在整個斷裂過程中，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[4]。

1.4 相關(guān)應(yīng)力參數(shù)的分析

傳動機械在設(shè)計開始，一般要使用動力電機的輸出轉(zhuǎn)速、輸出額定功率等初始數(shù)值計算其他相應(yīng)的參數(shù)，這當(dāng)然也適用于帶式運輸機，需要計算的主要項目包含：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。通過計算取得這些相關(guān)參數(shù)，然后對這些參數(shù)系統(tǒng)的計算和總結(jié)，得出結(jié)論，減速系統(tǒng)工作過程中，斷裂點受到很大的拉應(yīng)力，使減速軸偏離中心位置，因此在轉(zhuǎn)動狀態(tài)下也會產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，而這兩種力反復(fù)疊加在減速軸上，就是疲勞應(yīng)力，在疲勞應(yīng)力的作用下導(dǎo)致減速軸斷裂。

1.5 液力耦合器的工作狀態(tài)分析

通過對液力耦合器的狀態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)，其具有兩個方面的缺陷可能導(dǎo)致斷軸故障的產(chǎn)生:第一，液力耦合器具有較大的重量，且安裝在了減速機端，這就使減速軸受到了較大的徑向應(yīng)力，并且這些徑向力作用在了減速機的輸出端，這使得減速軸受力不均衡，動平衡差，而導(dǎo)致故障的出現(xiàn)[5]。第二，存在裝配誤差，耦合器與減速軸的同心度差，這讓減速軸自身就會產(chǎn)生一定的應(yīng)力，該應(yīng)力作用在聯(lián)軸器靠近電機軸的位置，從而加速剪應(yīng)力的增加，使軸更快的發(fā)生斷裂。

2 改進措施

(1) 安裝液力耦合器和聯(lián)軸器時，使用百分表或激光對中儀等精密儀器進行中心對正提高裝配的精密度，確保電機主軸、聯(lián)軸器、液力耦合器、減速軸在同一中心線上，裝配時的同軸度誤差控制在0.01 mm之內(nèi)，避免同軸度誤差產(chǎn)生自身附加應(yīng)力。另外帶式運輸機的啟停也會對減速軸產(chǎn)生額外的沖擊應(yīng)力，所以在重載的使用過程中盡量不要隨意進行啟停。

(2) 將該液力耦合器安裝在電機輸出軸一側(cè)，使電機輸出軸承載力和減速軸承載力均勻分布在軸承上，這樣減少了變速軸受力，減少斷裂的可能性。

(3) 加強對變速軸的巡查和保養(yǎng)，制定相關(guān)制度，對其進行周期性檢查，同時定期保養(yǎng)軸承，使其保持順暢的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，設(shè)備運行時一旦出現(xiàn)摩擦和振動等噪音，要及時檢查其出處，及時判斷維修。

3 改造效果分析

經(jīng)過減速傳動系統(tǒng)改造后的帶式運輸機，運行平穩(wěn)、噪音降低，經(jīng)過長時間使用不再出現(xiàn)減速軸斷裂現(xiàn)象，運煤能力得到大大的提升，保證了采煤工作的順利進行。減速系統(tǒng)故障的去除，減少了帶式運輸機的停機檢修次數(shù)，對于這樣大型的重載機械，每一次的突然停運和啟動都會給皮帶、滾筒等承重原件帶來很大的損傷，所以減速系統(tǒng)的修復(fù)提高了運輸系統(tǒng)運行的安全性。

4 結(jié) 語

通過多種技術(shù)角度對帶式運輸機減速軸斷裂故障進行分析，因為液力耦合器安裝位置和裝配精度存在一定缺陷，導(dǎo)致減速軸承受了較大的軸向拉應(yīng)力和徑向剪應(yīng)力，找到了減速軸損壞的具體原因。通過改變液力耦合器的安放位置，并提高其裝配精度，杜絕了斷軸故障的發(fā)生，同時提高了帶式運輸機的工作效率，確保了采煤工作的高效、順利、安全進行。