WK-4电铲主动轮轴改进分析

杜天容 ，王军生 ，刘向国 ，苏伟强 ，李洪冰

（1.鞍钢未来钢铁研究院有限公司，辽宁 鞍山114004；2.鞍钢股份有限公司冷轧厂，辽宁 鞍山 114021；3.鞍钢集团矿业公司齐大山铁矿，辽宁 鞍山 114043）

鞍钢集团矿业公司齐大山铁矿 （以下简称齐矿）现有6台WK-4型电铲直接应用于生产，年消耗主动轮轴为20～25根，每根价格为9 500元。按年消耗主动轮轴24根计算，费用为22.8万元。主动轮轴寿命短，更换频率高，不仅会造成备件费用消耗高，而且更换主动轮轴还会影响生产的顺利进行。从现场损坏形式看，主动轮轴的损坏多发生在花键联接部位。鉴于此种现象，有必要对主动轮轴的花键部位进行改造。

1 主动轮轴花键主要损坏形式及原因分析

齐矿目前所用的WK-4电铲主动轮轴与主动轮之间的联接均为矩形花键联接。由于联接中按小径（d）定心，花键齿的侧面受力不均，在承受重载的情况下，某些局部受力大的齿会先断裂，其余齿也相继损坏，从而使整根轴的总体强度降低，造成整根轴的功能失效。现场主动轮轴齿根断裂情况如图1所示。结合现场实际情况可以得出，主动轮轴花键部位有两种损坏形式，一是磨损，二是花键齿的齿根断裂，且后者较多。花键齿的齿根断裂明显是由于承载能力不足所造成的。

图1 现场主动轮轴齿根断裂情况

2 主动轮轴花键改造

目前，国内外矿山采掘设备普遍采用渐开线花键联接形式，且经过实践证明，渐开线花键的寿命高，一般因磨损报废，很少发生键齿断裂。因此，考虑将主动轮轴花键联接部位由原有的矩形花键改造为渐开线花键。

2.1 渐开线花键的优点

与矩形花键相比，渐开线花键有如下的优点：

（1）由于渐开线花键的齿廓为渐开线，齿根较厚，齿根圆角较大，应力集中较小，对轴的强度削弱程度小，且齿数较多，相应的承载面积大，因此寿命长。

（2）渐开线花键在联接中按齿形定心，具有自动定心的作用，使其受力均匀，使用寿命延长。

（3）可利用加工齿轮的各种加工方法加工渐开线花键，加工工艺性较好，靠公司内部加工单位就可完成，不需要外加工。

2.2 改进过程中应遵循的基本原则

（1）只改造花键联接部位，轴、轮和其它相关的结构形式、技术要求均维持原设计，保持不变，防止改造一件而其它件随之改变的现象发生，保证设备备件的互换性。

（2）渐开线花键的设计应在尽量保持花键尺寸和长度不变的前提下，优先选用国家推荐的渐开线花键模数和尺寸系列。

2.3 改造设计中的几点参考

（1）渐开线花键采用分度圆上压力角30°，定心方式按齿形定心，充分发挥渐开线花键的优势。

（2）公差和配合：齿侧的配合精度按H/h类别，公差等级选为7～8级，粗糙度为6.3和12.5。由于WK-4电铲是矿山重型采掘设备，在满足生产要求的情况下，选择较低精度，可降低成本。

3 两种花键挤压强度的对比计算

按照花键联接的失效形式，分别对矩形花键和渐开线花键进行挤压强度计算［1］。花键联接齿形如图2所示。

图2 花键联接计算

现用的WK-4电铲各项运行参数如表1所示。

表1 WK-4电铲各项运行参数

假设压力在齿侧面均匀分布，各齿压力的合力作用在平均半径处，则齿面上的挤压强度为：

式中，σp为挤压强度，MPa;T为转矩，N·mm；i为速比；ψ为各齿间载荷分配不均匀系数，一般取0.7～0.8，此处取为0.75；z为花键的齿数；h为花键齿侧面的工作高度，mm；L为花键齿的工作长度，mm；rm为花键的平均半径，mm。

式中，P为电机功率，kW；n为转速，r/min。计算得

3.1 矩形花键挤压强度

矩形花键z=10，rm=其中，D为花键轴外径，230 mm；d为花键轴内径，207 mm；C为倒角尺寸，3 mm。

3.2 渐开线花键挤压强度

为了保证设备备件的互换性，选用渐开线花键模数（m）为5 mm，由此可算出渐开线花键的齿数

根据式（1）计算可得渐开线花键σp=

通过对两种花键的挤压强度的计算分析可以看出，在电铲正常运行中，渐开花键所受的挤压强度远远小于矩形花键，改造后的主动轮轴的寿命将大大延长。

4 应用效果分析

齐矿于2013年开始研究将WK-4电铲主动轮轴的花键联接部位由原来的矩形花键改造为渐开线花键的联接形式，并在413#电铲上实施。改造前后WK-4电铲主动轮轴使用情况如表2所示。由表2可以看出，改造后，年消耗主动轮轴数量减少，主动轮轴使用寿命延长，备件费用降低，节约了电铲检修时间。之后陆续在其它WK-4电铲上推行，效果良好。

表2 改造前后WK-4电铲主动轮轴使用情况

5 结论

对鞍钢齐大山铁矿WK-4电铲主动轮轴损坏形式进行分析，得出轴的损坏均发生在花键联接部位，主动轮轴花键齿承载能力不足、齿根断裂是损坏的主要原因，提出用渐开线花键代替矩形花键。通过对两种形式花键的挤压强度进行计算和对比，得出在转矩和轴外径都相同的情况下，渐开线花键承受载荷的能力要远远大于矩形花键，能够延长主动轮轴的使用寿命，从理论上说明了用渐开线花键代替矩形花键的必要性和可行性。对WK-4电铲主动轮轴实施改造后，年消耗主动轮轴数量由24根降低至12根，平均使用寿命延长6～9个月，减少备件费用11.4万元/年，同时节约了电铲检修时间，值得推广和借鉴。