關(guān)于摩擦式提升機(jī)各主要部件使用壽命的研究

宋振海

（陽煤集團(tuán)機(jī)電動(dòng)力部， 山西 陽泉 045000）

引言

摩擦式提升機(jī)由多個(gè)部件組成，主要部件包括主軸、鋼絲繩、減速器、盤式制動(dòng)器、卷筒。各個(gè)重要部件的使用壽命也決定了摩擦式提升機(jī)的整機(jī)使用壽命，如果一個(gè)重要部件出現(xiàn)的故障將使得摩擦式提升機(jī)無法正常的運(yùn)行。因此，針對(duì)摩擦式提升機(jī)各主要部件的維護(hù)保養(yǎng)方法進(jìn)行探討，在延長(zhǎng)了摩擦式提升機(jī)使用壽命的同時(shí)也提高了經(jīng)濟(jì)性，安全性，可靠性。

1 主軸使用壽命分析

主軸是摩擦式提升機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，同時(shí)也是承載裝置，具有較高的強(qiáng)度和剛度以滿足摩擦式提升機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)工況。通過對(duì)摩擦式提升機(jī)主軸在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況分析得出，主軸產(chǎn)生裂紋是主要的破壞形式，當(dāng)主軸產(chǎn)生裂紋后達(dá)不到預(yù)期的工作強(qiáng)度要求。

主軸產(chǎn)生裂紋的原因主要包括[1]，制造材料的缺陷、安裝精度不達(dá)標(biāo)、后期維護(hù)保養(yǎng)方法不當(dāng)、設(shè)計(jì)存在不合理。一般主軸的裂紋為縱向裂紋，在長(zhǎng)時(shí)間高速旋轉(zhuǎn)中的產(chǎn)生的疲勞裂紋在潤(rùn)滑油的進(jìn)入條件下，裂紋將逐漸的加大，最終使縱向裂紋變?yōu)闄M向裂紋。

裂紋的壽命特性是典型的機(jī)械壽命特征曲線如圖1 所示，主要分為L(zhǎng)、M、N 區(qū)，分別代表著主軸發(fā)生故障的最低階段、初始階段和頻發(fā)階段。后期技術(shù)人員不能及時(shí)在L 區(qū)的對(duì)裂紋故障進(jìn)行排除，將使得主軸的裂紋故障進(jìn)行放大。

圖1 機(jī)械故障狀態(tài)特性曲線示意圖

因此，提升主軸使用壽命需要嚴(yán)格按照主軸的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用合理的制造材料，并定期安排技術(shù)人員對(duì)主軸表面裂紋狀態(tài)進(jìn)行觀察，并采用適當(dāng)?shù)木S護(hù)保養(yǎng)方法，才能延長(zhǎng)主軸的使用壽命。

2 鋼絲繩使用壽命分析

通常來說，隨著礦井的深度加深，鋼絲繩的使用壽命就會(huì)減小。分析其原因在于隨著井深的增加，鋼絲繩的內(nèi)部扭轉(zhuǎn)應(yīng)力就會(huì)隨著井深而增加，當(dāng)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力在長(zhǎng)時(shí)間作用后，就會(huì)形成扭轉(zhuǎn)疲勞，使得鋼絲繩產(chǎn)生斷絲安全隱患。同時(shí)，當(dāng)井深增加的時(shí)候，鋼絲繩的負(fù)載變化率會(huì)發(fā)生變化，使得鋼絲繩的疲勞破壞加劇。從摩擦式提升機(jī)的使用環(huán)境分析，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和負(fù)載變化率都是使得鋼絲繩使用壽命較短的原因。除上述兩個(gè)原因之外，鋼絲繩材料的選型、制造工藝、運(yùn)行時(shí)所受到的動(dòng)載荷、后期維護(hù)保養(yǎng)都是影響鋼絲繩使用壽命的關(guān)鍵因素[2]。

延長(zhǎng)摩擦式提升機(jī)鋼絲繩使用壽命的措施主要包括提升系統(tǒng)合理設(shè)計(jì)、鋼絲繩的合理選型、提升鋼絲繩制造質(zhì)量、加大對(duì)鋼絲繩安裝過程中的工藝管控、精準(zhǔn)檢測(cè)鋼絲繩運(yùn)行狀況等。其中加強(qiáng)對(duì)繩槽襯墊的維護(hù)是礦井技術(shù)人員常常忽略的一個(gè)因素，繩槽與鋼絲繩有合理的接觸面積，每一個(gè)繩槽的直徑誤差應(yīng)控制在0.9 mm 之內(nèi)[3]，繩槽的合理半徑如下頁圖2 所示。

3 減速器的使用壽命

減速器的兩端分別連接電動(dòng)機(jī)和滾筒，是摩擦式提升機(jī)關(guān)鍵的部件，是確保礦井能夠安全提升的關(guān)鍵，應(yīng)通過合理設(shè)計(jì)和后期維護(hù)，延長(zhǎng)減速器的使用壽命。通過現(xiàn)場(chǎng)工程觀察，減速器常見的三種損壞情況，分別為輪齒折斷、齒面破壞、隔板掉落。其中齒面破壞又可以分為齒面的塑性變形和點(diǎn)蝕破壞。

圖2 繩槽合理半徑示意圖

減速器產(chǎn)生上述破壞的原因包括工作載荷過大、齒輪的制造工藝存在缺陷、潤(rùn)滑油的效果不佳、后期維護(hù)保養(yǎng)不到位。從原因角度出發(fā)，提出延長(zhǎng)減速器使用壽命的對(duì)策建議。一是改變齒輪的材質(zhì)和熱處理方法，確保齒輪的硬度（HB）為280 及以上；二是加強(qiáng)螺帽的附著力，盡量采用點(diǎn)焊處理，同時(shí)具有砂眼、氣孔的齒輪軸材料禁止使用；三是提升安裝質(zhì)量，每一個(gè)支撐彈簧都應(yīng)進(jìn)行壓力試驗(yàn)，減速器與滾筒中心線應(yīng)該對(duì)稱并保持在0.5 mm 的間隙；四是提高潤(rùn)滑條件，將潤(rùn)滑油使用專用的N320 齒輪潤(rùn)滑油，按照比例添加金屬抗磨劑，通過潤(rùn)滑泵站采取強(qiáng)迫潤(rùn)滑的方式。

4 盤式制動(dòng)器使用壽命分析

盤式制動(dòng)器在不同的載荷工況下，根據(jù)載荷的頻率以及振幅大小，可將疲勞破壞分為隨機(jī)疲勞、橫幅疲勞以及變幅疲勞；同時(shí)根據(jù)材料分類，可將疲勞破壞分為機(jī)械疲勞、腐蝕疲勞以及熱疲勞。上述各類的疲勞破壞形式都影響著盤式制動(dòng)器的使用壽命。

通常盤式制動(dòng)器采用的制造材料都為Q345鋼材，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的速度v=20 m/s 和制動(dòng)壓力p=2 MPa[4]。根據(jù)盤式制動(dòng)器的壽命曲線，可知盤式制動(dòng)器的使命壽命為4 617 次。

盤式制動(dòng)器在制動(dòng)過程中產(chǎn)生的溫度場(chǎng)和陰離場(chǎng)的分布規(guī)律無法有效掌握，因此盤式制動(dòng)器的制動(dòng)盤出現(xiàn)熱裂紋是常見的失效形式。制動(dòng)盤所受到的熱應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度。為延長(zhǎng)盤式制動(dòng)器的使用壽命，應(yīng)從材料的角度入手，選用熱應(yīng)力強(qiáng)度較高的材料，同時(shí)觀察制動(dòng)盤表面熱裂紋的出現(xiàn)情況。

5 卷筒使用壽命分析

以超深井的摩擦式提升機(jī)為研究對(duì)象，通過有限元仿真技術(shù)對(duì)摩擦式提升機(jī)卷筒的使用壽命進(jìn)行模擬分析，使卷筒按照實(shí)際工況條件進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，按照工序時(shí)間配比，對(duì)卷筒滿載上提和空載下放的兩個(gè)工況進(jìn)行分析。卷筒主要受到來自鋼絲繩張力的載荷作用，通過對(duì)傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，由圖3 可知，卷筒繡到鋼絲繩最大拉力的時(shí)間出現(xiàn)在加速階段時(shí)間為第9 s，此過程為滿載上提階段；空載下放時(shí)鋼絲繩的最大張力出現(xiàn)在第104 s，即減速階段[5]。

如圖4 所示，在實(shí)際工作中卷筒的等效應(yīng)力為131.6 MPa，計(jì)算出卷筒的疲勞壽命大約為1.1×108次循環(huán)[6]，并且在一定的加載范圍內(nèi)，施加的載荷相同時(shí)，給定的存活率越高，對(duì)應(yīng)的安全壽命越短；對(duì)于相同的安全壽命，給定的存活率越高，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平越低，經(jīng)濟(jì)性越差。所以在疲勞設(shè)計(jì)中，選擇合適的存活率p 對(duì)于提高提升機(jī)卷筒結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性具有重要意義。因此，卷筒達(dá)到疲勞壽命時(shí)應(yīng)進(jìn)行更換，并對(duì)卷筒有可能出現(xiàn)的疲勞破壞做好日常安全管理，及時(shí)進(jìn)行觀察和維護(hù)保養(yǎng)。

圖3 卷筒內(nèi)鋼絲繩張力隨時(shí)間的變化曲線

圖4 卷筒疲勞壽命與存活率p、載荷比的關(guān)系曲線

6 結(jié)語

通過對(duì)摩擦式提升機(jī)的主軸、鋼絲繩、減速器、盤式制動(dòng)器、卷筒等主要部件的使用壽命進(jìn)行分析研究，并提出了延長(zhǎng)各個(gè)部件使用壽命的對(duì)策建議；延長(zhǎng)各個(gè)主要部件的使用壽命應(yīng)加強(qiáng)前期部件制造工藝的監(jiān)管以及后期日常管理過程中的維護(hù)保養(yǎng)。