DTⅡ型帶式輸送機減速機高速軸斷裂分析

趙曉剛

（云南小龍?zhí)兜V務局有限責任公司，云南 開遠 661601）

云南小龍?zhí)兜V務局有限責任公司下轄2 個露天礦，其中布沼壩露天礦共有2 條帶式輸送機系統(tǒng)，均采用半連續(xù)開采工藝。1 條用于剝離物料運輸，向龍橋排土場排棄物料；另1 條用于煤炭輸送，向坑口電廠輸送煤炭。采煤系統(tǒng)采用DTⅡ型帶式輸送機，由破碎站和M305－1、M305、M304、M303 帶式輸送機組成，煤炭送入圓筒倉后，通過電廠帶式輸送機送至坑口電廠，完成煤炭的運輸。近年來，隨著煤炭保供任務的加重，對整個采煤系統(tǒng)提出了更高的要求。2022 年4 月29 日，M305 帶式輸送機2＃減速機發(fā)生了高速軸斷裂故障，直接導致采煤系統(tǒng)減產(chǎn)25%，對企業(yè)的生產(chǎn)造成嚴重影響。

減速機高速軸斷裂故障屬于重大設備故障，因其具有突發(fā)性，往往會造成減速機損壞無法使用，進而影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運行。從企業(yè)使用和維護的角度看，對減速機高速軸斷裂原因進行分析，找出檢查維護的重點和措施，有利于提高設備的管理水平，對保障設備的正常運行具有重要意義。

1 布沼壩露天礦M305 帶式輸送機

布沼壩露天礦M305 帶式輸送機采用雙機驅(qū)動，機尾搭接M305－1 帶式輸送機，機頭搭接M304 帶式輸送機，屬于DTⅡ型固定式帶式輸送機。工程地點位于云南省開遠市小龍?zhí)舵?zhèn)，屬于典型的溫帶干旱半干旱大陸性氣候，場地50 年超越概率10%地震動峰值加速度為0.184g，對照地震基本烈度Ⅶ度。工作環(huán)境：露天、多灰、潮濕；物料種類：褐煤、松散密度0.75 t/m3、粒度≤φ300 mm。

M305 帶式輸送機采用鋼絲繩芯輸送帶，輸送帶規(guī)格ST3150，強度3 150 N/mm、帶寬1 400 mm、帶速3.15 m/s，傳動滾筒直徑1 250 mm，設計輸送能力1 667 m/h。水平長度750 m，地面高程為機頭1 097.900 m、機尾960.000 m，上升高度137.903 m，機道最大傾角14°。電動機型號：YPT500－4，額定功率710 kW、額定電壓6 000 V、額定電流80.64 A、額定轉(zhuǎn)速1 495 r/min。減速機型號M3PSF120，速比31.34。制動器型號YWZ5－710/301，額定力矩5 000～8 000 N·m。

2 減速機高速軸斷裂原因

減速機高速軸斷裂有多方面的原因，制造、選型計算、安裝、檢查維護等方面的問題都有可能導致高速軸斷裂。分析布沼壩露天礦M305 帶式輸送機電動機減速機高速軸斷裂的原因，通過查閱設備運行記錄、檢修記錄，找出減速機高速軸斷裂的主要原因。通過檢查減速機高速軸斷面情況，對比典型的疲勞斷裂斷口，得出該輸入軸屬于典型的金屬疲勞斷裂。金屬疲勞斷裂：材料承受交變循環(huán)應力或應變時，引起的局部結(jié)構(gòu)變化和內(nèi)部缺陷的不斷發(fā)展，使材料的力學性能下降，最終導致產(chǎn)品或材料的完全斷裂。引起疲勞斷裂的應力一般很低，疲勞斷裂的發(fā)生，往往具有突發(fā)性、高度局部性及對各種缺陷的敏感性等特點[1]。

2.1 運行電流

M305 帶式輸送機采用變頻器啟動，基于變頻器調(diào)速控制的特點，變頻啟動時，對電網(wǎng)的影響較小，電機能實現(xiàn)平滑穩(wěn)定啟動，對各機械部件沖擊較小。查閱設備的運行記錄，從運行電流上分析，若存在異常、過載電流，則說明驅(qū)動裝置在運行過程中存在不平衡或異常阻力等情況，應進行重點分析。

M305 帶式輸送機1＃和2＃變頻器采用主從控制模式，2＃電機電流大于1＃電機電流原因：2020 年8月18 日更換了1 臺新的2＃電機，由于新舊電機制作工藝及硅鋼片、定子繞線材料差異，導致轉(zhuǎn)差率不同，電機轉(zhuǎn)速存在差異造成。同時因使用的變頻器控制不具備調(diào)整雙機平衡的功能，導致2＃電機電流大于1＃電機。從新老電機繞組電阻值對比來看，未見異常。

通過分析4 月29 日的運行數(shù)據(jù)，2＃減速機輸入軸斷裂后，1＃電機電流升高，超過電動機額定電流80.64 A，但未達到過載保護的設定值，故沒有任何過載報警信息。斷軸后，聯(lián)軸器質(zhì)量懸挑于電機軸上，導致2＃電機后軸承的溫度迅速上升。經(jīng)維修人員檢查發(fā)現(xiàn)2＃減速機輸入軸已完全斷裂，無法繼續(xù)使用。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，在正常運行時，2＃電機的電流高于1＃電機，但2 臺電機電流均在額定電流范圍內(nèi)，為額定電流的40%～70%。正常運行時，驅(qū)動裝置負載正常，電機運行電流上的差異，不是造成減速機高速軸斷裂的主要原因。

2.2 減速機制造選型

檢查減速機高速軸斷裂位置情況，疲勞源位于鍵槽位置，斷口具有疲勞源區(qū)、疲勞擴展區(qū)和靜斷區(qū)。軸的斷裂初始部位正好位于鍵槽處，斷口特征為典型的金屬疲勞斷裂。從斷口特征上看，減速機高速軸斷裂位置，符合應力集中的特點。應力集中：零部件在形狀、尺寸急劇變化的局部位置出現(xiàn)應力顯著增大的現(xiàn)象，如軸類零件的軸肩圓角、鍵槽、油孔和緊配合等部位，受力后均會產(chǎn)生應力集中[2]。

查閱工程竣工資料，2 臺減速機為SEW 傳動設備（天津）有限公司產(chǎn)品生產(chǎn)于2009 年，布沼壩露天礦M305 帶式輸送機于2010 年6 月竣工，已連續(xù)生產(chǎn)了12 年。同期投入使用的其他帶式輸送機，使用的減速機均為SEW 公司產(chǎn)品，屬于批量定制產(chǎn)品，其余減速機未見異常。

減速機輸入軸直徑100 mm 小于電機輸出軸直徑130 mm，電機側(cè)安裝長度250 mm，減速機側(cè)安裝長度190 mm，造成兩者抗彎截面模數(shù)不同。斷裂部位處于聯(lián)軸器同軸過盈配合的邊緣處，過盈配合也會影響軸的強度。軸斷裂部位正好是聯(lián)軸器同軸過盈配合的邊緣處，過盈配合對軸的強度影響很大。高速軸常用的過盈配合H7／m6 的應力集中系數(shù)不會小于1.8。因而高速軸就容易在聯(lián)軸器與軸過盈配合邊緣處斷裂[3-4]。

減速機高速軸斷裂的位置符合金屬疲勞斷裂的特征，但減速機設計時已進行了降低應力集中的處理。減速機與電機軸直徑匹配因減速機與電機廠家設計不同，此問題一直存在于帶式輸送機設備安裝中，不能作為直接原因分析。

2.3 減速機對中精度

減速機對中精度直接決定了設備是否符合安裝要求，對設備的運行及穩(wěn)定起到了關鍵作用。減速機高速軸通過聯(lián)軸器與電機直接連接，轉(zhuǎn)速較高一般為1 000～3 000 r/min，高速運轉(zhuǎn)過程中的不平衡，會導致減速機高速軸或電機輸出軸的損壞。查閱SEW系列工業(yè)減速機操作維護手冊，對彈性聯(lián)軸器安裝精度要求較高。根據(jù)聯(lián)軸器型號：TL7100.1（YA130×250/JA100×190），查閱機械手冊，允許的安裝誤差：徑向△y 為0.15 mm，角向△α 為30′。

查閱M305 帶式輸送機維修記錄，2020 年8 月18 日更換了2＃新電機，因位置限制及驅(qū)動滾筒未斷開，采用了傳統(tǒng)的塞尺法安裝，最大角偏差0.2 mm，最大軸線偏差0.2 mm，誤差超過了允許值。

受基礎水平、對中精度等影響，設備長期運行后，對中精度下降，聯(lián)軸器產(chǎn)生附加徑向力，會影響軸的強度。結(jié)合剝離系統(tǒng)帶式輸送機減速機損壞情況分析，對中精度下降會造成減速機輸入軸軸承處，減速機箱體會有異常磨損等情況，對中精度下降是造成減速機高速軸斷裂的1 個原因[5]。

2.4 聯(lián)軸器及制動器

2.4.1 聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩計算

聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩計算是聯(lián)軸器選型的重要依據(jù)，聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩Tc為：

式中：Pw為驅(qū)動功率，kW；n 為工作轉(zhuǎn)速，r/min；Kw為動力機系數(shù)；K 為工況系數(shù)；Kz為啟動系數(shù)；Kt為溫度系數(shù)；Tn為公稱轉(zhuǎn)矩，N·m。

根據(jù)帶式輸送機的技術參數(shù)及工況，取Pw＝710 kW、n＝1 495 r/min、Kw＝1.0、K＝1.0、Kz＝1.0、Kt＝1.0，代入式（1），得到Tc=4 535.45≤Tn。

2.4.2 制動器的轉(zhuǎn)矩計算

1）主要阻力。輸送機的主要阻力FH是物料及輸送帶移動和承載分支及回程分支托輥旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生阻力的總和，通過計算得FH＝42 816 N。

式中：f 為模擬摩擦系數(shù)，取0.025；L 為輸送機長度（頭尾滾筒中心距），750 m；g 為重力加速度，10 m/s2；δ為輸送機傾角，14°；qRO為承載分支托輥組每米長度旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量；qRU為回程分支托輥組每米長度旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量；qB為每米長度輸送帶質(zhì)量，取42 kg/m；qG為每米長度輸送物料質(zhì)量。

式中：G1為承載分支每組托輥質(zhì)量，取34.92 kg；α0為承載分支托輥間距，取1.2 m。

式中：G2為回程分支每組托輥旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，取32.54 kg；αU為回程分支托輥間距，取3 m。

2）傾斜阻力Fst。計算得Fst=152 010 N。

式中：H 為輸送機受料點與卸料點間的高差，取137.903 m。

3）制動力的計算。上行帶式輸送機設置制動器，為安全起見，傳動滾筒所需的最大制動力FBmax應按最不利的制動工況計算：

4）制動力矩的計算。采用液力制動器制動時，制動力矩Mz按公式計算。

式中：Mz為制動器的額定制動力矩，N·m；r 為傳動滾筒半徑，0.625 m；i 為制動器的安裝軸到傳動滾筒的傳動比。

采用液力制動器，因液力制動器裝在減速機的高速軸上，i=31.34，得Mz=3 267 N·m。

選用的制動器：電力液壓塊式制動器YWZ5—710/301，制動力矩：5 000～8 000 N·m；推動器：電力液壓推動器Ed301/6，額定推力3 000 N，行程60 mm。

M305 帶式輸送機聯(lián)軸器型號：TL7100.1（YA130×250/JA100×190），為帶制動輪的柱銷聯(lián)軸器，制動輪直徑710 mm，查閱機械手冊：公稱轉(zhuǎn)矩Tn=16 000 N·m，許用轉(zhuǎn)速np=1 000 r/min，轉(zhuǎn)動慣量30.48 kg·m2，總質(zhì)量641.13 kg。經(jīng)復核計算，選用TL6300.1 的帶制動輪的柱銷聯(lián)軸器即可滿足要求。制動輪安裝在減速機側(cè)，停機、緊急制動時會產(chǎn)生較大的制動力矩，高速軸受到大扭矩制動。高速旋轉(zhuǎn)中，若動平衡不好，會產(chǎn)生離心力，增加軸附加應力，也會影響軸的強度[6]。因此聯(lián)軸器及制動器選型及制動器質(zhì)量較大是造成減速機高速軸斷裂的一個原因。

綜上分析，引起減速機高速軸斷裂的原因是多方面的，減速機高速軸斷裂一般符合金屬疲勞斷裂的特征，在設備選型計算階段，進行準確的分析和計算至關重要。從使用維護的角度看，減速機聯(lián)軸器的對中精度對設備運行的穩(wěn)定影響很大，通過科學的方法提高對中精度并定期檢查，是保證減速機正常運行的有效手段。

3 減速機使用及維護措施

帶式輸送機屬于連續(xù)生產(chǎn)工藝或半連續(xù)生產(chǎn)工藝的關鍵環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的每個部件對保證生產(chǎn)運行都十分重要，做好設備前期選型計算的同時，后期的檢查維護也十分重要。結(jié)合帶式輸送機減速機損壞的情況及減速機使用和維護要求，可以從以下幾方面入手。

1）做好設備選型計算。帶式輸送機因運行工況不同，一般以向上提升為主，由于帶式輸送機連續(xù)運轉(zhuǎn)的特性，當發(fā)生緊急情況時，如輸送帶撕裂、跑遍、堵料等突發(fā)情況，要求帶式輸送機要在極短時間內(nèi)停機，往往會產(chǎn)生較大的制動力矩，一般通過在減速機和電機中間加裝制動器實現(xiàn)。制動器一般安裝于減速機側(cè)，在設計選型時應與廠家進行溝通說明，做好強化設計；另一方面應選用安裝精度高的聯(lián)軸器、在滿足制動要求的同時盡量降低制動器的質(zhì)量（如蛇形彈簧聯(lián)軸器等），減小轉(zhuǎn)動慣量。

2）提高減速機的對中精度。帶式輸送機驅(qū)動裝置底座一般為鋼結(jié)構(gòu)底座，通過地腳螺栓二次灌漿與地面或廠房固定。在建設過程中，應對二次灌漿、底座找平進行重點檢查驗收，確保安裝基礎符合設計要求。減速機對中時應選擇百分表法和激光對中法，地腳螺栓調(diào)整墊片選用標準的不銹鋼墊片或不易壓縮變形的材質(zhì)，對中時應進行多次測量調(diào)整，直至符合要求。同時做好對中數(shù)據(jù)的記錄，根據(jù)設備的使用情況，定期開展對中精度的檢查工作。

3）做好設備的檢查維護。設備的檢查維護是提高設備完好率和可動率的重要手段。帶式輸送機的機械、電氣及控制等系統(tǒng)互相關聯(lián)，當其中一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，往往會導致其他問題的發(fā)生。做好設備的檢查維護：①要規(guī)范日常操作檢查，對設備各項數(shù)據(jù)如實記錄存檔，做好設備性能、預防性測試，掌握設備的基本情況；②加強設備的聯(lián)合檢查，組織專業(yè)人員參加聯(lián)合檢查，通過定期檢查，及時發(fā)現(xiàn)的問題，做好預防性檢查維護工作[7]。

4）提高設備的智能化水平。隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，煤炭生產(chǎn)朝著大型化、智能化方向發(fā)展，智能化礦山建設首先要提高設備的智能化水平。減速機可以通過增加測量裝置，實現(xiàn)實時動態(tài)監(jiān)測。帶式輸送機使用的減速機一般為定制產(chǎn)品，對于采用壓力潤滑外置冷卻器的減速機，可以采集潤滑油壓力和溫度數(shù)據(jù)，同時采集各軸軸承的溫度及振動值，將采集的數(shù)據(jù)實時上傳，實現(xiàn)對異常高溫、振動的報警[8]。

4 結(jié)語

通過分析DTⅡ型帶式輸送機減速機高速軸斷裂的原因，可以得出設備管理屬于全生命周期的管理，前期的選型計算、建設安裝、檢查維護貫穿于設備管理的全過程。帶式輸送機減速機高速軸斷裂往往會造成帶式輸送機減產(chǎn)甚至直接停產(chǎn)，將嚴重影響企業(yè)的生產(chǎn)效益。提高減速機的選型計算的準確性、安裝對中精度和檢查維護的有效性，可以有效預防減速機發(fā)生損壞，確保減速機的穩(wěn)定運行，進而保障企業(yè)的正常生產(chǎn)。