采煤機(jī)行走部傳動軸故障分析及改進(jìn)對策

呂 東 宋同凱

（沈陽科技學(xué)院）

采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上往復(fù)移動進(jìn)行割煤，其移動的動力源是牽引電機(jī)，動力由牽引部減速機(jī)傳遞至行走部傳動軸、行走部驅(qū)動輪，行走部驅(qū)動輪與刮板輸送機(jī)的銷排嚙合，進(jìn)而帶動采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上移動割煤［1］。因此，行走部傳動軸是采煤機(jī)移動環(huán)節(jié)的重要組成部件，為保證采煤機(jī)高效工作，行走部傳動軸必須穩(wěn)定、可靠。

1 故障描述

某型號采煤機(jī)在使用過程中發(fā)生了行走部傳動軸斷裂故障，設(shè)備使用工況為全煤，采高1.3～1.9 m，煤壁有夾矸，煤層硬度f=2～4，在截割678 h時發(fā)生此故障。該行走部傳動軸為階梯軸，故障斷裂面位于軸承安裝軸肩處，故障斷口外緣光滑，內(nèi)部粗糙，在斷裂面上有端面螺紋孔M30 的底孔。行走部傳動軸斷裂位置及斷口見圖1、圖2。

2 故障分析

為準(zhǔn)確找出故障原因，需要對損壞的行走部傳動軸進(jìn)行詳細(xì)分析，主要從軸的尺寸參數(shù)、生產(chǎn)質(zhì)量及使用工況3 個方面進(jìn)行分析，得出故障原因，制定改進(jìn)對策，避免類似故障再次發(fā)生。

2.1 設(shè)計參數(shù)

行走部傳動軸的動力來源是牽引電機(jī)，牽引電機(jī)功率P=35 kW，行走部傳動軸的輸出轉(zhuǎn)速n1=8 r/min，行走部傳動軸軸承安裝軸肩（故障斷面處）圓角為R1。結(jié)合行走部傳動軸斷口情況，考慮傳動軸為疲勞斷裂，故在進(jìn)行設(shè)計參數(shù)校核時，要進(jìn)行有限元靜力分析及疲勞強(qiáng)度分析［2］，計算過程如下。

2.1.1 有限元靜力分析

2.1.1.1 受力計算

行走部傳動軸外部安裝有行走驅(qū)動輪，行走驅(qū)動輪只受到圓周方向的驅(qū)動力，行走部緊急停車狀況下輸出轉(zhuǎn)矩最大，其圓周力也為最大，最大圓周力F計算如下。

式中，M為行走部傳動軸最大輸出轉(zhuǎn)矩，kN·m；r為行走驅(qū)動輪半徑，取0.18 m；η為機(jī)械傳動效率，取0.91；P為牽引電機(jī)功率，35 kW；n1為輸出轉(zhuǎn)速，8 r/min。

計算得出M=38.02 kN·m，F(xiàn)=211 222 N。

2.1.1.2 有限元分析

在SolidWorks 中創(chuàng)建行走部傳動軸三維模型，然后將模型簡化，并導(dǎo)入ANSYS 軟件中。設(shè)置行走部傳動軸材料為42CrMo，泊松比為0.3，楊氏模量為206 GPa，密度為7 850 kg/m3，屈服強(qiáng)度為550 MPa。網(wǎng)格劃分方式為自動劃分，設(shè)置網(wǎng)格大小為15 mm，得到391 799個單元和546 263個節(jié)點［3］，見圖3。

行走傳動軸加載方式有2種：一種是直接在傳動軸外緣加載圓周力，圓周力大小為行走部傳動軸輸出轉(zhuǎn)矩與傳動軸半徑比值；另一種是在行走驅(qū)動輪節(jié)圓處施加圓周力。2 種加載方式的轉(zhuǎn)矩相同，加載半徑和力的大小不同，但加載效果是一致的，為與工況更接近，選擇在驅(qū)動輪節(jié)圓處加載211 222 N 的圓周力F，沿節(jié)圓切線方向，對行走部傳動軸兩端施加全自由度約束，得出應(yīng)力計算云圖，見圖4。

由圖4可知，行走部傳動軸在此力學(xué)模型下最大應(yīng)力值為232.1 MPa，最大應(yīng)力點位于軸承座根部圓角處。行走部傳動軸材料42CrMo 的屈服強(qiáng)度為550 MPa，可得出行走部傳動軸設(shè)計安全系數(shù)n=550/232.1=2.4。

2.1.2 疲勞強(qiáng)度分析

行走部傳動軸疲勞安全系數(shù)計算過程如下。

（1）彎曲有效應(yīng)力集中系數(shù)K0計算公式［4］為

式中，q為鋼材的敏性系數(shù)；α為理論應(yīng)力集中系數(shù)。

（2）疲勞安全系數(shù)Sσ計算公式為

疲勞安全系數(shù)取值見表1。

表1 各性能材料疲 勞安全系數(shù)允許值

對R1、R5、R10 3 種尺寸圓角的疲勞安全系數(shù)進(jìn)行計算，結(jié)果見表2。

表2 行走部傳動軸疲勞安全系數(shù)[41]

本文所論述的行走部傳動軸屬于高塑性材料，由表1可知，軸承座圓角為R1、R5時的安全系數(shù)分別0.86、1.03，不滿足安全系數(shù)要求，故此處圓角數(shù)值設(shè)計不合理；當(dāng)圓角數(shù)值為R10 時，安全系數(shù)為1.27，可滿足設(shè)計要求。

2.2 產(chǎn)品質(zhì)量

2.2.1 化學(xué)成分分析

對行走部傳動軸故障件進(jìn)行化學(xué)成分分析，行走部傳動軸設(shè)計要求化學(xué)成分與故障件檢驗化學(xué)成分比對結(jié)果如表3所示。由表3檢驗結(jié)果顯示，化學(xué)成分檢驗符合傳動軸42CrMo材質(zhì)成分要求，傳動軸材質(zhì)正常。

表3 行走部傳動軸故障件檢驗化學(xué)成分|5]

2.2.2 力學(xué)性能檢驗

對行走部傳動軸故障件挑選3點進(jìn)行硬度檢測，測得結(jié)果及設(shè)計要求值如表4所示。

表4 行走部傳動軸硬度檢測結(jié)果

由表4檢驗結(jié)果可知，行走部傳動軸硬度滿足設(shè)計要求。

2.2.3 故障處宏觀分析

對行走部傳動軸故障件進(jìn)行清洗，檢查斷口處發(fā)現(xiàn)，斷面外沿平整光滑，內(nèi)部材質(zhì)粗糙，由斷面外沿向傳動軸軸線方向分布“年輪”狀環(huán)帶，此特征與疲勞斷裂符合。

2.2.4 金相分析

對故障件取樣進(jìn)行金相組織檢測（圖5），測得金相組織為4級回火索氏體，少量托氏體，少量條狀、塊狀鐵素體，金相組織合格；夾雜物按GB/T10561—2005評定為D類夾雜物0.5級，夾雜物合格。

2.3 使用工況

設(shè)備使用工況為全煤，采高1.3～1.9 m，煤層有夾矸，設(shè)備截割時長為678 h，煤層硬度f=2～4，設(shè)備使用環(huán)境滿足設(shè)計需求，截割時長在設(shè)計范圍內(nèi)，截割硬度未超工況，排除工況因素。

通過查看故障記錄及與現(xiàn)場操作人員溝通了解到，設(shè)備的急停按鈕經(jīng)常被頻繁啟動，急停按鈕只能在緊急情況下使整機(jī)立刻停機(jī)時使用，按下急停按鈕，整機(jī)所有電機(jī)全部瞬間失電，會對設(shè)備造成沖擊，特別是對行走傳動系統(tǒng)沖擊較大，所以頻繁緊急停機(jī)也是本次故障的一個誘因。

3 傳動軸故障小結(jié)及對改進(jìn)措施

由以上分析可知，傳動軸結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、軸承安裝軸肩處圓角較小為此次故障主要原因，頻繁使用急停按鈕導(dǎo)致較大沖擊為故障次要原因。

針對故障原因提出改進(jìn)措施：

（1）調(diào)整行走部傳動軸軸承座圓角數(shù)值R1 為R10，疲勞安全系數(shù)Sσ由0.86 增大為1.27，可滿足設(shè)計要求。

（2）對現(xiàn)場操作人員進(jìn)行操作培訓(xùn)，要求嚴(yán)格按照操作規(guī)程開機(jī)、停機(jī)，堅決杜絕非特殊情況下使用急停按鈕。

4 結(jié) 語

針對采煤機(jī)行走部傳動軸斷裂故障，從設(shè)計參數(shù)、產(chǎn)品材質(zhì)、使用工況3個方面分析了故障原因，確定行走部傳動軸設(shè)計參數(shù)不合理為本次故障主要原因，并給出針對性的解決辦法。部件改進(jìn)后，使用狀況良好。采煤機(jī)行走部傳動軸故障研究分析結(jié)果為今后軸類部件設(shè)計、故障分析及改進(jìn)對策提供了參考和借鑒。