大隆礦主井提升機滾筒開裂的原因分析與處理

舒適 吳洪春 項丹丹

【摘要】 針對大隆礦主井提升機運行實際中出現(xiàn)的滾筒開裂現(xiàn)象，從理論到實踐分析了裂紋原因，提出和實施了改造方案，增強了主井提升系統(tǒng)安全可靠性，清除了安全隱患。

【關(guān)鍵詞】 提升機;滾筒裂紋;分析

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2019.02.014

Abstract： In view of the cracking phenomenon of the drum in the operation of the main shaft hoist in Dalong Mine，the causes of the cracks are analyzed from theory to practice，and the renovation scheme is put forward and implemented，which enhances the safety and reliability of the main shaft hoisting system and eliminates the potential safety hazards.

Key words： hoist;cylinder crack;analysis

大隆礦主井提升機系原蘇聯(lián)產(chǎn)的單滾筒可分離式6 m絞車，型號為1×6×3.2/0.75，由于設(shè)備經(jīng)過長期運轉(zhuǎn)已進入疲勞期，在滾筒連接幅板角焊縫出現(xiàn)裂紋并有繼續(xù)擴展趨勢，游動卷筒閘盤偏擺局部也有超限，箕斗低速運行時閘盤有輕微刮蹭閘瓦現(xiàn)象，嚴重威脅著礦井安全生產(chǎn)。

為了徹底消除此隱患，對滾筒裂紋產(chǎn)生原因進行了深入研究和分析，提出和實施了更換主軸裝置方案，解決了老滾筒裂紋問題，取得了良好的效果。

1 滾筒的開裂部位及其特征

通過現(xiàn)場對大隆礦主井提升機進行實際觀察、測量，得出當(dāng)前絞車卷筒裂紋狀況，如圖1所示。在固定筒殼兩幅板之間連接板與幅板連接的角焊縫出現(xiàn)裂紋，此裂紋已擴展延伸到筒殼上，兩半筒殼合口面四塊連接板兩端共8處均出現(xiàn)長短不同的延伸裂紋，其中最長的裂紋達240 mm，最短的也有150 mm，并且在筒殼厚度50 mm方向上通透貫穿，從筒殼外表上看，裂紋界線兩邊母材高、低相差1.5 mm，即出現(xiàn)裂紋支撐弱的一側(cè)塌陷現(xiàn)象。

自2012年底檢修時發(fā)現(xiàn)滾筒存在裂紋以來，曾先后多次對開焊部位實施過補焊，并在裂紋終端打止裂孔，但處理效果都不理想。裂隙沒有停止發(fā)展，繼續(xù)延長，同時裂隙處卷筒對口螺栓出現(xiàn)斷裂情況，卷筒側(cè)板焊縫開焊850 mm，影響主井安全提升，隨時可能造成停運而中斷生產(chǎn)。

2 卷筒開裂原因分析

2.1 碳鋼裂紋分析

鋼就是鐵元素的原子聚合，里面全是鐵原子組成的正立方體晶格。根據(jù)鋼件在機器里受力位置不同自然會有拉壓力和剪切力的區(qū)別。從晶格角度看，拉壓力就是兩個對稱面的原子均勻地承受所分得的載荷，力被相同幾何面上的原子平均分擔(dān)了，這個合力就很大。而剪力與拉壓力不同，幾乎在同一平面相反的一對同樣大小的力作用在零件一單獨面上，落實到晶格上，就像對晶格12條棱邊的某一條用剪力強制剪斷一樣，晶格的一條棱邊僅是一條金屬鍵而已，只剪斷一條金屬鍵所用的力值遠遠小于拉壓力的時候就可以輕松剪斷，參見圖2所示。

對于焊縫這樣的不均質(zhì)材料，里面天然的破碎晶格，微小裂紋無論怎么熱處理，也達不到均質(zhì)碳鋼的致密程度，受剪切力后微小裂紋只是根據(jù)剪力大小選擇延伸或不延伸、延伸速度快慢問題。從材料不均質(zhì)角度看鋼材疲勞應(yīng)力σ取值至少應(yīng)從兩方面考慮：一是外力破斷晶格內(nèi)金屬鍵所需的等效力值，這個等效力是力值與力的作用循環(huán)次數(shù)的綜合值，它使晶格產(chǎn)生初始裂紋;另一個是裂紋在等效力作用下使零件徹底損壞所用的循環(huán)次數(shù)或損壞所用的時間，零件厚重則耐久性大，單薄則耐久性小。

通過上述理論就不難得出，滾筒裂紋開焊的主要原因是由于兩半滾筒的連接處強度不夠造成的，因為滾筒采用全鋼板焊接結(jié)構(gòu)，整個滾筒的強度最薄弱的部位恰好也是整個滾筒的中間，滾筒周而復(fù)始的纏繩、放繩，使?jié)L筒在圓周方向上周而復(fù)始受到擠壓。仿蘇結(jié)構(gòu)中，筒殼設(shè)計理念停留在薄壁厚支的理念中，輪幅厚、卷筒壁薄易開裂，與今天的厚壁薄支彈性基礎(chǔ)梁理念不同，兩者相互參考有理論方面的基礎(chǔ)差別。當(dāng)滾筒受到鋼絲繩擠壓時滾筒就微量的向內(nèi)收縮變形，焊肉在幅板微動彎曲（彈性范圍內(nèi)）變形形成長期交變拉伸或壓縮焊縫，而焊縫材料不同于母材Q345B（16Mn）的屈服強度，焊縫屈服強度會更低，交變應(yīng)力下會逐漸產(chǎn)生小的材料金相中的晶格破碎、滑移，從而變形小的裂紋，小的裂紋經(jīng)過若干年成為長的裂紋，最后逐步擴展到滾筒筒殼上。

2.2 滾筒裂紋的受力分析

滾筒材質(zhì)為低碳合金鋼，板厚50 mm。材料受剪力容易損壞，尤其是不均勻的焊縫受剪力時，焊縫內(nèi)部缺陷如微小裂紋就會根據(jù)剪切力大小做出延伸擴展的反應(yīng)，再考察老主軸裝置滾筒裂紋分布。從圖3中a和c看出，連接板與幅板的角焊縫，當(dāng)筒殼正中間受鋼絲繩擠壓后會頸縮，單邊算1.5 mm。這1.5 mm會造成連接板沿30 mm厚度也彎曲1.5 mm，由于連接板端頭下邊緣會產(chǎn)生擠入幅板內(nèi)部0.35 mm的趨勢，而實際卻擠不進，這就會擠連接板與幅板端頭上的角焊縫。

圖3中c箭頭所示，連接板希望擠入幅板0.35 mm，擠不進就以剪力的方法壓縮角焊縫，角焊縫是不均勻的，里面存在不少微小裂紋，提升一次剪切焊縫一次，45#鋼剪切許用應(yīng)力[τ]=80 MPa，卷筒半徑單邊頸縮1.5 mm，連接板彎曲1.5 mm，對角焊縫的剪切應(yīng)力大概在110～200 MPa之間，超過一般鋼材[τ]=80 MPa，角焊縫支撐不了就會出現(xiàn)明顯的裂紋。

3 處理方案

3.1 方案的提出

通過對大隆礦主井提升機滾筒裂紋產(chǎn)生原因的深入研究與分析，并參考近年來國內(nèi)許多大型礦井及科研院所對提升機類似故障缺陷處理經(jīng)驗，最終決定采取更換主軸裝置方式，解決老筒殼裂紋問題，具體做法要點如下：

（1）優(yōu)化設(shè)計。聯(lián)系滾筒主軸生產(chǎn)廠家訂做新設(shè)備。要求新滾筒在設(shè)計中采取有效措施彌補老主軸裝置K360筒殼的技術(shù)缺陷，幅板中間連接板兩端與幅板之間不再需要焊接，讓幅板連接處保持自由狀態(tài)，以利于滾筒在受鋼絲繩擠壓過程中能自由收縮，補償由于受壓縮應(yīng)力所產(chǎn)生的變形，沒有焊縫自然就解決了疲勞裂紋容易向筒殼傳導(dǎo)擴展的問題。

（2）改善滾筒受力情況。新滾筒在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面采用新型“厚殼彈支”滾筒結(jié)構(gòu)，在滿足滾筒厚度情況下，兼顧穩(wěn)定性的要求。卷筒內(nèi)部設(shè)有支環(huán)屬于彈性支撐結(jié)構(gòu)，每個滾筒的剖分面在制造廠內(nèi)進行精加工，滾筒之間以及滾筒與輪轂采用精制配合螺栓和普通螺栓聯(lián)接，現(xiàn)場安裝只需固定螺栓即可。

（3）改造主軸承。老主軸裝置軸承采用傳統(tǒng)滑動烏金瓦式稀油潤滑滑動軸承，配備ZKTD285/84-P型直流電動機、功率2500 kW。與主軸裝置一樣，電機轉(zhuǎn)子軸承也采用2套稀油潤滑滑動軸承，即整個提升機的機械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由4套滑動軸承來提供，靜阻力高達36 kN，長期固定有此阻力，相當(dāng)于用18.6 t的提升力只獲得15 t的煤，損失太大。故決定將原主軸裝置的滑動軸承改為SKF雙列向心球面滾子軸承。將原電機半聯(lián)軸節(jié)拆除后裝配新制聯(lián)軸節(jié)，并保持原電機和液壓系統(tǒng)制動系統(tǒng)不動，更換新的滾筒及主軸裝置。

雖然整體更換方案一次性投入成本高、工程量大、需停產(chǎn)處理時間長，但是可以從根本上徹底消除隱患，在安全上更有把握。而且新主軸裝置采用滾動軸承設(shè)計可以有效減少傳統(tǒng)烏金瓦式滑動軸承對支撐主軸裝置旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的靜阻力，由于滾動、滑動軸承因各自阻力迥異，則新主軸裝置安裝后僅摩擦阻力一項的進步將給提升機運行帶來可觀的降耗。

3.2 實施過程

為確保大隆煤礦乃至全集團公司安全生產(chǎn)，2018年集團公司決心徹底消除大隆礦主提升機滾筒開裂的隱患，停產(chǎn)檢修12天，更換主軸裝置及滾筒。

整個改造工程主要分為兩個部分：即原主軸滾筒拆除及新主軸滾筒安裝。新安設(shè)備最大不可拆重量為120 t，施工中選用1臺300 t汽車吊和2臺100 t汽車吊配合進行吊裝。在新、舊主軸裝置交替更換的拆裝過程中，使用KYJD型10 t拉力計對原設(shè)備的老式烏金瓦滑動軸承K360的旋轉(zhuǎn)阻力進行了測定，即在主軸端聯(lián)軸器與電機端聯(lián)軸器分離、僅靠兩個滑動軸承支撐主軸裝置的情況下，測得滑動軸承的靜摩擦阻力為35280 N。

2018年5月10日，大隆礦主井提升機主軸裝置再次改造為1×6×3.2/0.75單筒分裂式盤形閘滾動軸承，電動機仍沿用原ZKTD285/84-P型直流電動機。盤形制動器仍為原盤形制動器。新主軸裝置安裝順利，各部件組裝準確達到設(shè)計尺寸要求，并無大的失誤;安裝公司24小時晝夜執(zhí)行任務(wù)，于2018年5月22日歷時12天安裝完畢投產(chǎn)，運行效果良好。

4 經(jīng)濟效益

4.1 滑動軸承靜阻力的運行費用計算

（1）求等效阻力

經(jīng)計算，等效阻力為35280 N。

（2）求等效功率

經(jīng)計算，功率值為390 kw。

（3）求每小時有功運行時間

顯見，有功運行時間為0.81 h。

（4）求滑動軸承阻力耗電度數(shù)

易知，小時耗電度數(shù)和每年耗電度數(shù)分別是315 kW·h和1764000 kW·h。

（5）求滑動軸承靜阻力的年運行費用

電價取0.7223元/度。

基于前述4步計算結(jié)果，可得每年因主軸裝置滑動軸承阻力耗費資金為127萬元。這筆資金為剛性付出，由此可知18年來原設(shè)備K360滑動軸承阻力損耗資金共計2286萬元。

4.2 改造后節(jié)省資金

2018年5月22日改造原K360主軸為SKF滾動軸承后，經(jīng)實測新主軸裝置最大靜阻力約為1 KN（體重60 kg的人站在閘盤內(nèi)側(cè)支撐環(huán)三角板上邊，整個卷筒就會緩緩轉(zhuǎn)動，忽略卷筒靜平衡偏差，取滾動軸承靜阻力1 KN）。原滑動軸承3.6 t，比滾動軸承阻力大36倍，因此采用滾動軸承后每年滾動軸承阻力耗費資金是滑動軸承的1/36，即3.5萬元，即每年僅滾動軸承一項，可以節(jié)約資金123.5萬元。

5 結(jié)語

通過大隆礦主井1×6×3.2/0.75單筒分裂式提升機的成功改造我們可以得出如下經(jīng)驗：若礦井提升機仍在使用烏金瓦式滑動軸承支撐的主軸裝置，都可以從克服摩擦阻力、提高傳動效率方面來嘗試進行設(shè)備改造;機械系統(tǒng)內(nèi)任何低速重載設(shè)備，都應(yīng)該進行滑動軸承、滾動軸承兩個技術(shù)方案經(jīng)濟比較，最終達到合理選型，發(fā)揮設(shè)備最大效力的目的。

【參考文獻】

[1] 陳維健，齊秀麗，肖林京，等.礦山運輸與提升設(shè)備[M].北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[2] 李紀，池鳳山，李俊海，等.礦山設(shè)備性能測定與狀態(tài)診斷技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1995.

[3] 袁亮.煤礦總工程師技術(shù)手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.