矿用皮带运输机减速机断轴分析

吴作江

（山西汾西矿业集团设计院， 山西 介休 032000）

引言

在煤矿开采过程中，皮带运输机驱动减速机使用期间经常发生输入轴断轴问题，甚至几部运输机会同时发生断轴，严重影响了煤矿开采工作的顺利进行。断轴一般只是输入轴发生断裂，输出轴很少发生断裂。断轴时，若发现断轴裂处的茬口比较整齐，且端面垂直轴长度方向，则一般为疲劳断裂。除此之外，地面皮带机以及倾角运输皮带机均会发生减速机断轴问题，煤矿企业应予以重视[1]。

1 皮带运输机减速机断轴原因

1.1 断轴外在原因

首先是所选皮带运输机减速机承载能力较低，实际使用期间，若实际煤炭运输量大于设计运输量，在长时间超载的情况下极易导致减速机发生断轴。其次是制动轮与液力耦合器的动平衡较差，运行期间振动较大，当振动载荷达到某种程度时，减速机则会因疲劳而发生断轴问题。再次是安装同心度偏差过大，实际运输期间，企业往往认为减速机属于小设备，没有严格按照说明书进行安装，以致电机与减速机之间同心度较差，在轴上会产生附加力矩，长时间运行，减速机难免因疲劳出现断轴。最后是减速机本身存在设计缺陷。

1.2 断轴内在原因

一是减速机输入轴断裂处存在较大应力，输入轴过渡圆角曲率半径较小，应力更为集中，严重时则会发生疲劳断轴。二是减速机为硬齿面，输入轴直径较小，虽然强度满足标准，但由于轴身较细，以致发生应力集中问题，发生疲劳损坏。三是减速机输入轴材料选择或热处理工作没有到位。

2 减速机断轴改进措施

2.1 选择正规厂家的减速机设备

煤矿开采属于高危行业，为了增强施工作业的安全性，企业必须选择正规厂家且质量合格的机械设备。皮带运输机减速机在开采期间占据十分重要的作用，为了保障开采工作的顺利进行，企业必须选择正规厂家生产的设备，降低断轴问题的发生几率。

2.2 提高减速机的安装精度

在安装减速机时，技术人员应利用先进仪器做好找正工作，比如激光仪或者百分表等。且还应将减速机与电机连接精度控制在一定范围内，确保两者轴的同心度偏差小于0.01 mm，且还应尽量避免重载频繁启动[2]。

2.3 确保减速机在额定功率下运行

皮带运输机减速机长时间超出额定功率运输是断轴的主要引发因素，为了提高减速机运行的安全性，煤矿企业必须指派专人做好监控工作，确保减速机运行时保持额定功率。同时，良好的润滑也是减速机正常运行的基本保证，对此，技术人员还应重视轴承的润滑工作，以防摩擦力过大。同时，还应定期检查高低速轴联轴器，确保油位尺上下刻度线保持在中间位置。

2.4 加强设备的检修与保养力度

技术人员应有效确保减速机轴承的润滑效果，并定期检查润滑油位，确保其保持在油位尺竖直刻度线的中间位置。在检修设备过程中，若发现设备出现振动异常或噪音异常问题，技术人员应立马停机检查，并逐一检测减速机、电机紧固螺栓等部位，一旦发现松动情况，不论松动幅度大小都应采取紧固处理措施。除此之外，还应经常检查高低速轴联轴器设备，且侧重同轴检查。若同轴度不符合基本标准，还应做好加减热片的处理工作，根据不平行端面及前后方向误差及时调整减速机与电机四个角顶丝。

3 某煤矿皮带运输机减速机断轴分析与改进

3.1 断轴分析

某煤矿生产企业皮带运输机减速机在使用一段时间后，减速机输入轴断裂。此皮带运输机采用了三级直交轴减速机，输入轴主要通过耦合器以及联轴器与电机连接，其电机功率为315 kW，输入转数为1 470 r/min。在发生断轴问题后，技术人员利用直读光谱仪检查了锻件的化学成分，检测了C、Si、Mn、P、S等化学元素的含量，发现化学成分符合标准要求，具体情况如表1所示。

表1 化学成分检测含量表 %

之后对试样进行硬度试验，得出轴段硬度符合基本设计要求。利用超声波进行探伤检验，发现断轴内部没有其他缺陷，断口附近也不存在裂纹[3]。

本减速机断轴断口位于圆锥滚子轴承的中间部位，且断口呈贝壳状，确定为疲劳断裂，具体如图1所示。经观察发现主源与次生源两个疲劳源，分析断口裂纹长度及走向可知，裂纹主要向轴外向两端转移，这是由于拉应力突然变大。由断轴整体分析，裂纹起源于主源，并向中间扩展，之后随着应力的不断增大，形成次生源。断口整体比较新鲜，在清洗后可见金属光泽。同时，断口表面除45%左右面积被磨损外，断口整体比较粗糙，不存在反复摩擦的痕迹。这表明断轴主要因应力叠加交变扭转剪应力造成，主要为扭转疲劳[4]。

之后根据皮带运输机减速机的电机功率等参数计算应力，且主要计算传动力矩、径向力、轴向力、断裂部位及周围剪应力、断裂部位及周围拉应力等，分析统计计算结果可知，减速机断轴部位的拉应力较大，且因扭转产生的剪应力也不断增大，以致超载发生疲劳断裂问题。

本台减速机轴端安装了耦合器，电机轴较粗，但也只是承担很小部分的径向力，减速机轴端承载了更多应力。其受耦合器自身质量的影响，电机轴应力不平衡，加之安装不同心，以致减速机输入轴在附加径向力作用下加速断裂。

图1 断口全貌图

3.2 断轴技术改进措施

1）严格控制减速机的安装工作，提高安装精度，且使用激光对中仪等先进的仪器找正减速机与电机。同时，还将电机与减速机的连接精度控制在标准范围内，确保两者轴的同心度偏差保持在0.01 mm范围内。且期间尽量减少电机的起动，尤其避免重载频繁启动电机，做好保护工作。

2）改变液力耦合器的安装形式，为了确保电机轴承与减速机轴承均匀分配受到的应力，减少减速机输入轴受力，将液力耦合器安装于电机端，以确保减速机与电机的安全使用。

4 结语

皮带运输机具备结构简单、运输量大且维修便捷等优势，因而在煤矿生产中得到了广泛利用。有效解决减速机断轴问题，可在保证煤矿安全生产的基础上提高其开采效率，减少停工次数，降低成本，增加收益。