WK-4電鏟主動輪軸改進分析

杜天容 ，王軍生 ，劉向國 ，蘇偉強 ，李洪冰

（1.鞍鋼未來鋼鐵研究院有限公司，遼寧 鞍山114004；2.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山 114021；3.鞍鋼集團礦業(yè)公司齊大山鐵礦，遼寧 鞍山 114043）

鞍鋼集團礦業(yè)公司齊大山鐵礦 （以下簡稱齊礦）現(xiàn)有6臺WK-4型電鏟直接應用于生產(chǎn)，年消耗主動輪軸為20～25根，每根價格為9 500元。按年消耗主動輪軸24根計算，費用為22.8萬元。主動輪軸壽命短，更換頻率高，不僅會造成備件費用消耗高，而且更換主動輪軸還會影響生產(chǎn)的順利進行。從現(xiàn)場損壞形式看，主動輪軸的損壞多發(fā)生在花鍵聯(lián)接部位。鑒于此種現(xiàn)象，有必要對主動輪軸的花鍵部位進行改造。

1 主動輪軸花鍵主要損壞形式及原因分析

齊礦目前所用的WK-4電鏟主動輪軸與主動輪之間的聯(lián)接均為矩形花鍵聯(lián)接。由于聯(lián)接中按小徑（d）定心，花鍵齒的側(cè)面受力不均，在承受重載的情況下，某些局部受力大的齒會先斷裂，其余齒也相繼損壞，從而使整根軸的總體強度降低，造成整根軸的功能失效?，F(xiàn)場主動輪軸齒根斷裂情況如圖1所示。結(jié)合現(xiàn)場實際情況可以得出，主動輪軸花鍵部位有兩種損壞形式，一是磨損，二是花鍵齒的齒根斷裂，且后者較多?；ㄦI齒的齒根斷裂明顯是由于承載能力不足所造成的。

圖1 現(xiàn)場主動輪軸齒根斷裂情況

2 主動輪軸花鍵改造

目前，國內(nèi)外礦山采掘設備普遍采用漸開線花鍵聯(lián)接形式，且經(jīng)過實踐證明，漸開線花鍵的壽命高，一般因磨損報廢，很少發(fā)生鍵齒斷裂。因此，考慮將主動輪軸花鍵聯(lián)接部位由原有的矩形花鍵改造為漸開線花鍵。

2.1 漸開線花鍵的優(yōu)點

與矩形花鍵相比，漸開線花鍵有如下的優(yōu)點：

（1）由于漸開線花鍵的齒廓為漸開線，齒根較厚，齒根圓角較大，應力集中較小，對軸的強度削弱程度小，且齒數(shù)較多，相應的承載面積大，因此壽命長。

（2）漸開線花鍵在聯(lián)接中按齒形定心，具有自動定心的作用，使其受力均勻，使用壽命延長。

（3）可利用加工齒輪的各種加工方法加工漸開線花鍵，加工工藝性較好，靠公司內(nèi)部加工單位就可完成，不需要外加工。

2.2 改進過程中應遵循的基本原則

（1）只改造花鍵聯(lián)接部位，軸、輪和其它相關的結(jié)構(gòu)形式、技術要求均維持原設計，保持不變，防止改造一件而其它件隨之改變的現(xiàn)象發(fā)生，保證設備備件的互換性。

（2）漸開線花鍵的設計應在盡量保持花鍵尺寸和長度不變的前提下，優(yōu)先選用國家推薦的漸開線花鍵模數(shù)和尺寸系列。

2.3 改造設計中的幾點參考

（1）漸開線花鍵采用分度圓上壓力角30°，定心方式按齒形定心，充分發(fā)揮漸開線花鍵的優(yōu)勢。

（2）公差和配合：齒側(cè)的配合精度按H/h類別，公差等級選為7～8級，粗糙度為6.3和12.5。由于WK-4電鏟是礦山重型采掘設備，在滿足生產(chǎn)要求的情況下，選擇較低精度，可降低成本。

3 兩種花鍵擠壓強度的對比計算

按照花鍵聯(lián)接的失效形式，分別對矩形花鍵和漸開線花鍵進行擠壓強度計算［1］。花鍵聯(lián)接齒形如圖2所示。

圖2 花鍵聯(lián)接計算

現(xiàn)用的WK-4電鏟各項運行參數(shù)如表1所示。

表1 WK-4電鏟各項運行參數(shù)

假設壓力在齒側(cè)面均勻分布，各齒壓力的合力作用在平均半徑處，則齒面上的擠壓強度為：

式中，σp為擠壓強度，MPa;T為轉(zhuǎn)矩，N·mm；i為速比；ψ為各齒間載荷分配不均勻系數(shù)，一般取0.7～0.8，此處取為0.75；z為花鍵的齒數(shù)；h為花鍵齒側(cè)面的工作高度，mm；L為花鍵齒的工作長度，mm；rm為花鍵的平均半徑，mm。

式中，P為電機功率，kW；n為轉(zhuǎn)速，r/min。計算得

3.1 矩形花鍵擠壓強度

矩形花鍵z=10，rm=其中，D為花鍵軸外徑，230 mm；d為花鍵軸內(nèi)徑，207 mm；C為倒角尺寸，3 mm。

3.2 漸開線花鍵擠壓強度

為了保證設備備件的互換性，選用漸開線花鍵模數(shù)（m）為5 mm，由此可算出漸開線花鍵的齒數(shù)

根據(jù)式（1）計算可得漸開線花鍵σp=

通過對兩種花鍵的擠壓強度的計算分析可以看出，在電鏟正常運行中，漸開花鍵所受的擠壓強度遠遠小于矩形花鍵，改造后的主動輪軸的壽命將大大延長。

4 應用效果分析

齊礦于2013年開始研究將WK-4電鏟主動輪軸的花鍵聯(lián)接部位由原來的矩形花鍵改造為漸開線花鍵的聯(lián)接形式，并在413#電鏟上實施。改造前后WK-4電鏟主動輪軸使用情況如表2所示。由表2可以看出，改造后，年消耗主動輪軸數(shù)量減少，主動輪軸使用壽命延長，備件費用降低，節(jié)約了電鏟檢修時間。之后陸續(xù)在其它WK-4電鏟上推行，效果良好。

表2 改造前后WK-4電鏟主動輪軸使用情況

5 結(jié)論

對鞍鋼齊大山鐵礦WK-4電鏟主動輪軸損壞形式進行分析，得出軸的損壞均發(fā)生在花鍵聯(lián)接部位，主動輪軸花鍵齒承載能力不足、齒根斷裂是損壞的主要原因，提出用漸開線花鍵代替矩形花鍵。通過對兩種形式花鍵的擠壓強度進行計算和對比，得出在轉(zhuǎn)矩和軸外徑都相同的情況下，漸開線花鍵承受載荷的能力要遠遠大于矩形花鍵，能夠延長主動輪軸的使用壽命，從理論上說明了用漸開線花鍵代替矩形花鍵的必要性和可行性。對WK-4電鏟主動輪軸實施改造后，年消耗主動輪軸數(shù)量由24根降低至12根，平均使用壽命延長6～9個月，減少備件費用11.4萬元/年，同時節(jié)約了電鏟檢修時間，值得推廣和借鑒。