螺旋式輸砂裝置故障原因分析及改進(jìn)措施

溫軍剛

（國(guó)能朔黃鐵路機(jī)輛公司，河北滄州 062350）

1 輸砂裝置設(shè)備簡(jiǎn)介

螺旋式輸砂裝置安裝于機(jī)輛分公司神池南折返段內(nèi)，神池南折返段位于作為朔黃鐵路西大門的神池南站東端，日均出、入庫(kù)機(jī)車150 余臺(tái)，是機(jī)車折返整備的重要場(chǎng)所，為朔黃鐵路上行重載列車保證機(jī)力供應(yīng)。該輸砂裝置于2015 年4 月下旬投入使用，位于折返段入庫(kù)線機(jī)1、機(jī)2 道兩側(cè)，為入庫(kù)機(jī)車進(jìn)行上砂整備作業(yè)。螺旋式輸砂裝置主要由1 個(gè)進(jìn)砂漏斗、1 個(gè)星型卸料器、1 條帶式輸送機(jī)、1 條斗式提升機(jī)、1 套除塵器、1 條LS400 螺旋輸送機(jī)、6 個(gè)分料漏斗、6 個(gè)電動(dòng)插板閥、6 條LS250螺旋輸送機(jī)、48 個(gè)儲(chǔ)砂罐、1 套電氣控制系統(tǒng)控制柜及操作臺(tái)等部件組成，設(shè)備布置如圖1 所示。

圖1 螺旋式輸砂裝置設(shè)備布置

機(jī)車專用砂日常儲(chǔ)存在砂房?jī)?nèi)，是已經(jīng)過篩的合格干砂。砂房?jī)?nèi)設(shè)置用于堆積砂料的料斗，砂料由料斗經(jīng)皮帶輸送機(jī)進(jìn)入斗式提升機(jī)，然后由斗式提升機(jī)提升至9.5 m 高之后落入收集砂箱，利用砂料的重力進(jìn)入架空輸送系統(tǒng)的LS400 螺旋輸送機(jī)。螺旋輸送機(jī)設(shè)置在輸砂線的中部橫向（垂直于機(jī)車走行線路方向）位置，砂料在螺旋葉輪的驅(qū)動(dòng)下在直管內(nèi)作水平位移，當(dāng)砂料運(yùn)送到縱向（平行于機(jī)車走行線路方向）布置的LS250螺旋輸送機(jī)上方時(shí)，通過2 條輸砂管道給每條縱向輸砂線供應(yīng)砂料，出砂量由電動(dòng)閥門控制。砂料在縱向輸砂線上的螺旋輸送機(jī)直管內(nèi)作水平位移，分別沿機(jī)車走行線向兩端輸送，最后落入位于2 條機(jī)車走行線兩側(cè)的48 個(gè)儲(chǔ)砂罐中，完成輸砂作業(yè)。

2 設(shè)備故障原因分析及改進(jìn)措施

2.1 LS250 螺旋輸送機(jī)減速器斷軸故障

2.1.1 故障描述

螺旋式輸砂裝置設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，加砂作業(yè)人員發(fā)現(xiàn)縱向布置的LS250 螺旋輸送機(jī)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，而螺旋輸送機(jī)的尾部軸端不旋轉(zhuǎn)，通過觀察及檢修孔查看發(fā)現(xiàn)螺旋軸也不旋轉(zhuǎn)，初步斷定為減速器和螺旋軸連接部件出現(xiàn)問題。進(jìn)一步分解檢查，發(fā)現(xiàn)減速器的輸出軸斷裂（圖2）。在2015 年6—7 月份，輸出軸斷裂故障共發(fā)生3 起，故障跡象完全相同。

圖2 螺旋輸送機(jī)減速器斷軸

2.1.2 斷軸原因分析

由圖3 可以清晰地看到，螺旋輸送機(jī)的動(dòng)力由三相交流電機(jī)提供，通過行星減速器傳遞給螺旋輸送機(jī)的螺旋軸。螺旋軸在水平布置的鋼制直管內(nèi)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，螺旋軸葉片旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)直管內(nèi)的砂料做水平位移，從而達(dá)到運(yùn)送砂料的目的。

圖3 改進(jìn)前螺旋輸送機(jī)減速器傳動(dòng)示意

設(shè)計(jì)上，將減速器的輸出軸與螺旋輸送機(jī)的螺旋軸通過聯(lián)軸器直接相連，螺旋軸沿長(zhǎng)度方向在其他部分（含尾部）均設(shè)有吊裝軸承。這樣，螺旋輸送機(jī)的螺旋軸作為長(zhǎng)桿形配件，由軸頭的減速器輸出軸和其他吊裝軸承共同承擔(dān)其重力。減速器輸出軸除了承擔(dān)軸向扭矩負(fù)荷外，還要承擔(dān)徑向的重力。

在輸砂過程中，由于砂料集中在螺旋軸的底部輸送，螺旋軸葉片在推動(dòng)砂子往前運(yùn)動(dòng)過程中螺旋軸的受力不斷發(fā)生變化，這種持續(xù)的交變載荷最終通過螺旋軸集中到減速器輸出軸上。由于減速器輸出軸在該處設(shè)計(jì)為臺(tái)階軸，在機(jī)械加工過程中不可避免地存在應(yīng)力集中。

在重力和持續(xù)的交變載荷的雙重作用下，反復(fù)沖擊引起疲勞，使軸逐漸產(chǎn)生裂紋，最終完全斷裂。如果減速器輸出軸附近的螺旋軸吊裝軸承故障，起不到支撐螺旋軸重力的作用，減速器輸出軸承擔(dān)的螺旋軸重力加大，則會(huì)加速其斷裂。

2.1.3 改進(jìn)措施

通過以上分析，引起減速器輸出軸斷軸故障的主要原因是：①螺旋軸重力作用；②持續(xù)的交變載荷；③臺(tái)階軸的應(yīng)力集中；④偶發(fā)的吊裝軸承故障導(dǎo)致重力加大。對(duì)上述4 種原因進(jìn)一步分析，其中第2、3 種原因在設(shè)備工作或設(shè)計(jì)加工中是不可避免的；第4 種原因可以通過加強(qiáng)日常設(shè)備檢查、潤(rùn)滑保養(yǎng)或技術(shù)改進(jìn)來保證吊裝軸承的正常工作；對(duì)于第1 種原因，需要在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加裝支撐座（圖4、圖5），支撐座內(nèi)設(shè)軸承，使減速器輸出軸只承擔(dān)軸向的扭矩負(fù)荷，徑向負(fù)荷由支撐座來承擔(dān)，在很大程度上減少了減速器輸出軸疲勞斷裂的可能。通過以上改進(jìn)，設(shè)備重新投入應(yīng)用以來未再出現(xiàn)斷軸故障。

圖4 改進(jìn)后螺旋輸送機(jī)減速器傳動(dòng)示意

圖5 支撐座結(jié)構(gòu)

2.2 LS250 螺旋輸送機(jī)吊裝軸承故障

2.2.1 故障描述

加砂人員在正常加砂過程中，發(fā)現(xiàn)出砂管內(nèi)有軸承碎物隨砂子流出，進(jìn)一步分解檢查，發(fā)現(xiàn)吊裝軸承的迷宮部分已完全破裂，軸承保持架和滾珠等完全解體，軸承報(bào)廢。

2.2.2 原因分析

螺旋輸送機(jī)吊裝軸承安裝在螺旋輸送機(jī)的螺旋軸上，主要起支撐螺旋軸的作用。該軸承工作環(huán)境比較惡劣，軸承軸向兩端周圍均為螺旋軸輸送的砂料，因此軸承的密封非常關(guān)鍵。設(shè)計(jì)方面，軸承密封采用迷宮型式將可能進(jìn)入軸承的砂粒封住（圖6）。實(shí)際工作中，螺旋軸輸送的砂料并非粒徑均勻一致的砂粒，砂料里面還有很多微小顆粒和灰塵。由于砂料為機(jī)車專用石英砂，具有較高的硬度，且這些微小顆粒有較強(qiáng)的針入性。微小顆粒進(jìn)入迷宮，不斷的磨損使迷宮的間隙加大，當(dāng)間隙加大積累到一定程度后，大顆粒砂粒直接進(jìn)入迷宮將軸承碾碎，造成軸承故障。

圖6 改進(jìn)前吊裝軸承結(jié)構(gòu)

另一方面，軸承的定期潤(rùn)滑保養(yǎng)和日常檢查對(duì)于軸承的使用壽命的延長(zhǎng)也非常重要，只有潤(rùn)滑到位才能有效地防止軸承因缺油、意外侵蝕等造成軸承失效，導(dǎo)致設(shè)備故障。

2.2.3 改進(jìn)措施

由于原設(shè)計(jì)中理想化地認(rèn)為砂料全部是粒徑一致的標(biāo)準(zhǔn)顆粒，沒有考慮到砂料中的微小顆粒和灰塵，而正是這些微小顆粒和灰塵的侵蝕最終導(dǎo)致軸承故障。針對(duì)軸承工作環(huán)境中存在的微小顆粒和灰塵，對(duì)吊裝軸承結(jié)構(gòu)的密封型式進(jìn)行改進(jìn)，在原有軸承結(jié)構(gòu)基本連接尺寸不變的前提下，重新設(shè)計(jì)迷宮密封結(jié)構(gòu)（圖7），增加了反向退砂結(jié)構(gòu)和油封，這樣改進(jìn)一方面保證了軸承內(nèi)部的油脂不外溢，另一方面杜絕了微小顆粒的進(jìn)入。

圖7 改進(jìn)后吊裝軸承結(jié)構(gòu)

同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的日常巡檢保養(yǎng)，特別是對(duì)吊裝軸承的潤(rùn)滑實(shí)行定點(diǎn)、定質(zhì)、定量、定期、定人等“五定”制度，也是必不可少的改進(jìn)措施。

3 結(jié)束語

螺旋式輸砂裝置作為重要的鐵路機(jī)車整備設(shè)備，通過技術(shù)改進(jìn)使設(shè)備各部的承受載荷趨于合理，工作環(huán)境趨于穩(wěn)定。只有加強(qiáng)設(shè)備日常檢查保養(yǎng)，才能有效避免可能發(fā)生的突發(fā)故障，保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。