DTⅡ型带式输送机减速机高速轴断裂分析

赵晓刚

（云南小龙潭矿务局有限责任公司，云南 开远 661601）

云南小龙潭矿务局有限责任公司下辖2 个露天矿，其中布沼坝露天矿共有2 条带式输送机系统，均采用半连续开采工艺。1 条用于剥离物料运输，向龙桥排土场排弃物料；另1 条用于煤炭输送，向坑口电厂输送煤炭。采煤系统采用DTⅡ型带式输送机，由破碎站和M305－1、M305、M304、M303 带式输送机组成，煤炭送入圆筒仓后，通过电厂带式输送机送至坑口电厂，完成煤炭的运输。近年来，随着煤炭保供任务的加重，对整个采煤系统提出了更高的要求。2022 年4 月29 日，M305 带式输送机2＃减速机发生了高速轴断裂故障，直接导致采煤系统减产25%，对企业的生产造成严重影响。

减速机高速轴断裂故障属于重大设备故障，因其具有突发性，往往会造成减速机损坏无法使用，进而影响整个生产系统的正常运行。从企业使用和维护的角度看，对减速机高速轴断裂原因进行分析，找出检查维护的重点和措施，有利于提高设备的管理水平，对保障设备的正常运行具有重要意义。

1 布沼坝露天矿M305 带式输送机

布沼坝露天矿M305 带式输送机采用双机驱动，机尾搭接M305－1 带式输送机，机头搭接M304 带式输送机，属于DTⅡ型固定式带式输送机。工程地点位于云南省开远市小龙潭镇，属于典型的温带干旱半干旱大陆性气候，场地50 年超越概率10%地震动峰值加速度为0.184g，对照地震基本烈度Ⅶ度。工作环境：露天、多灰、潮湿；物料种类：褐煤、松散密度0.75 t/m3、粒度≤φ300 mm。

M305 带式输送机采用钢丝绳芯输送带，输送带规格ST3150，强度3 150 N/mm、带宽1 400 mm、带速3.15 m/s，传动滚筒直径1 250 mm，设计输送能力1 667 m/h。水平长度750 m，地面高程为机头1 097.900 m、机尾960.000 m，上升高度137.903 m，机道最大倾角14°。电动机型号：YPT500－4，额定功率710 kW、额定电压6 000 V、额定电流80.64 A、额定转速1 495 r/min。减速机型号M3PSF120，速比31.34。制动器型号YWZ5－710/301，额定力矩5 000～8 000 N·m。

2 减速机高速轴断裂原因

减速机高速轴断裂有多方面的原因，制造、选型计算、安装、检查维护等方面的问题都有可能导致高速轴断裂。分析布沼坝露天矿M305 带式输送机电动机减速机高速轴断裂的原因，通过查阅设备运行记录、检修记录，找出减速机高速轴断裂的主要原因。通过检查减速机高速轴断面情况，对比典型的疲劳断裂断口，得出该输入轴属于典型的金属疲劳断裂。金属疲劳断裂：材料承受交变循环应力或应变时，引起的局部结构变化和内部缺陷的不断发展，使材料的力学性能下降，最终导致产品或材料的完全断裂。引起疲劳断裂的应力一般很低，疲劳断裂的发生，往往具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点[1]。

2.1 运行电流

M305 带式输送机采用变频器启动，基于变频器调速控制的特点，变频启动时，对电网的影响较小，电机能实现平滑稳定启动，对各机械部件冲击较小。查阅设备的运行记录，从运行电流上分析，若存在异常、过载电流，则说明驱动装置在运行过程中存在不平衡或异常阻力等情况，应进行重点分析。

M305 带式输送机1＃和2＃变频器采用主从控制模式，2＃电机电流大于1＃电机电流原因：2020 年8月18 日更换了1 台新的2＃电机，由于新旧电机制作工艺及硅钢片、定子绕线材料差异，导致转差率不同，电机转速存在差异造成。同时因使用的变频器控制不具备调整双机平衡的功能，导致2＃电机电流大于1＃电机。从新老电机绕组电阻值对比来看，未见异常。

通过分析4 月29 日的运行数据，2＃减速机输入轴断裂后，1＃电机电流升高，超过电动机额定电流80.64 A，但未达到过载保护的设定值，故没有任何过载报警信息。断轴后，联轴器质量悬挑于电机轴上，导致2＃电机后轴承的温度迅速上升。经维修人员检查发现2＃减速机输入轴已完全断裂，无法继续使用。

根据以上数据分析，在正常运行时，2＃电机的电流高于1＃电机，但2 台电机电流均在额定电流范围内，为额定电流的40%～70%。正常运行时，驱动装置负载正常，电机运行电流上的差异，不是造成减速机高速轴断裂的主要原因。

2.2 减速机制造选型

检查减速机高速轴断裂位置情况，疲劳源位于键槽位置，断口具有疲劳源区、疲劳扩展区和静断区。轴的断裂初始部位正好位于键槽处，断口特征为典型的金属疲劳断裂。从断口特征上看，减速机高速轴断裂位置，符合应力集中的特点。应力集中：零部件在形状、尺寸急剧变化的局部位置出现应力显著增大的现象，如轴类零件的轴肩圆角、键槽、油孔和紧配合等部位，受力后均会产生应力集中[2]。

查阅工程竣工资料，2 台减速机为SEW 传动设备（天津）有限公司产品生产于2009 年，布沼坝露天矿M305 带式输送机于2010 年6 月竣工，已连续生产了12 年。同期投入使用的其他带式输送机，使用的减速机均为SEW 公司产品，属于批量定制产品，其余减速机未见异常。

减速机输入轴直径100 mm 小于电机输出轴直径130 mm，电机侧安装长度250 mm，减速机侧安装长度190 mm，造成两者抗弯截面模数不同。断裂部位处于联轴器同轴过盈配合的边缘处，过盈配合也会影响轴的强度。轴断裂部位正好是联轴器同轴过盈配合的边缘处，过盈配合对轴的强度影响很大。高速轴常用的过盈配合H7／m6 的应力集中系数不会小于1.8。因而高速轴就容易在联轴器与轴过盈配合边缘处断裂[3-4]。

减速机高速轴断裂的位置符合金属疲劳断裂的特征，但减速机设计时已进行了降低应力集中的处理。减速机与电机轴直径匹配因减速机与电机厂家设计不同，此问题一直存在于带式输送机设备安装中，不能作为直接原因分析。

2.3 减速机对中精度

减速机对中精度直接决定了设备是否符合安装要求，对设备的运行及稳定起到了关键作用。减速机高速轴通过联轴器与电机直接连接，转速较高一般为1 000～3 000 r/min，高速运转过程中的不平衡，会导致减速机高速轴或电机输出轴的损坏。查阅SEW系列工业减速机操作维护手册，对弹性联轴器安装精度要求较高。根据联轴器型号：TL7100.1（YA130×250/JA100×190），查阅机械手册，允许的安装误差：径向△y 为0.15 mm，角向△α 为30′。

查阅M305 带式输送机维修记录，2020 年8 月18 日更换了2＃新电机，因位置限制及驱动滚筒未断开，采用了传统的塞尺法安装，最大角偏差0.2 mm，最大轴线偏差0.2 mm，误差超过了允许值。

受基础水平、对中精度等影响，设备长期运行后，对中精度下降，联轴器产生附加径向力，会影响轴的强度。结合剥离系统带式输送机减速机损坏情况分析，对中精度下降会造成减速机输入轴轴承处，减速机箱体会有异常磨损等情况，对中精度下降是造成减速机高速轴断裂的1 个原因[5]。

2.4 联轴器及制动器

2.4.1 联轴器的转矩计算

联轴器的转矩计算是联轴器选型的重要依据，联轴器的转矩Tc为：

式中：Pw为驱动功率，kW；n 为工作转速，r/min；Kw为动力机系数；K 为工况系数；Kz为启动系数；Kt为温度系数；Tn为公称转矩，N·m。

根据带式输送机的技术参数及工况，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 制动器的转矩计算

1）主要阻力。输送机的主要阻力FH是物料及输送带移动和承载分支及回程分支托辊旋转所产生阻力的总和，通过计算得FH＝42 816 N。

式中：f 为模拟摩擦系数，取0.025；L 为输送机长度（头尾滚筒中心距），750 m；g 为重力加速度，10 m/s2；δ为输送机倾角，14°；qRO为承载分支托辊组每米长度旋转部分质量；qRU为回程分支托辊组每米长度旋转部分质量；qB为每米长度输送带质量，取42 kg/m；qG为每米长度输送物料质量。

式中：G1为承载分支每组托辊质量，取34.92 kg；α0为承载分支托辊间距，取1.2 m。

式中：G2为回程分支每组托辊旋转部分质量，取32.54 kg；αU为回程分支托辊间距，取3 m。

2）倾斜阻力Fst。计算得Fst=152 010 N。

式中：H 为输送机受料点与卸料点间的高差，取137.903 m。

3）制动力的计算。上行带式输送机设置制动器，为安全起见，传动滚筒所需的最大制动力FBmax应按最不利的制动工况计算：

4）制动力矩的计算。采用液力制动器制动时，制动力矩Mz按公式计算。

式中：Mz为制动器的额定制动力矩，N·m；r 为传动滚筒半径，0.625 m；i 为制动器的安装轴到传动滚筒的传动比。

采用液力制动器，因液力制动器装在减速机的高速轴上，i=31.34，得Mz=3 267 N·m。

选用的制动器：电力液压块式制动器YWZ5—710/301，制动力矩：5 000～8 000 N·m；推动器：电力液压推动器Ed301/6，额定推力3 000 N，行程60 mm。

M305 带式输送机联轴器型号：TL7100.1（YA130×250/JA100×190），为带制动轮的柱销联轴器，制动轮直径710 mm，查阅机械手册：公称转矩Tn=16 000 N·m，许用转速np=1 000 r/min，转动惯量30.48 kg·m2，总质量641.13 kg。经复核计算，选用TL6300.1 的带制动轮的柱销联轴器即可满足要求。制动轮安装在减速机侧，停机、紧急制动时会产生较大的制动力矩，高速轴受到大扭矩制动。高速旋转中，若动平衡不好，会产生离心力，增加轴附加应力，也会影响轴的强度[6]。因此联轴器及制动器选型及制动器质量较大是造成减速机高速轴断裂的一个原因。

综上分析，引起减速机高速轴断裂的原因是多方面的，减速机高速轴断裂一般符合金属疲劳断裂的特征，在设备选型计算阶段，进行准确的分析和计算至关重要。从使用维护的角度看，减速机联轴器的对中精度对设备运行的稳定影响很大，通过科学的方法提高对中精度并定期检查，是保证减速机正常运行的有效手段。

3 减速机使用及维护措施

带式输送机属于连续生产工艺或半连续生产工艺的关键环节，系统的每个部件对保证生产运行都十分重要，做好设备前期选型计算的同时，后期的检查维护也十分重要。结合带式输送机减速机损坏的情况及减速机使用和维护要求，可以从以下几方面入手。

1）做好设备选型计算。带式输送机因运行工况不同，一般以向上提升为主，由于带式输送机连续运转的特性，当发生紧急情况时，如输送带撕裂、跑遍、堵料等突发情况，要求带式输送机要在极短时间内停机，往往会产生较大的制动力矩，一般通过在减速机和电机中间加装制动器实现。制动器一般安装于减速机侧，在设计选型时应与厂家进行沟通说明，做好强化设计；另一方面应选用安装精度高的联轴器、在满足制动要求的同时尽量降低制动器的质量（如蛇形弹簧联轴器等），减小转动惯量。

2）提高减速机的对中精度。带式输送机驱动装置底座一般为钢结构底座，通过地脚螺栓二次灌浆与地面或厂房固定。在建设过程中，应对二次灌浆、底座找平进行重点检查验收，确保安装基础符合设计要求。减速机对中时应选择百分表法和激光对中法，地脚螺栓调整垫片选用标准的不锈钢垫片或不易压缩变形的材质，对中时应进行多次测量调整，直至符合要求。同时做好对中数据的记录，根据设备的使用情况，定期开展对中精度的检查工作。

3）做好设备的检查维护。设备的检查维护是提高设备完好率和可动率的重要手段。带式输送机的机械、电气及控制等系统互相关联，当其中一个环节出现问题，往往会导致其他问题的发生。做好设备的检查维护：①要规范日常操作检查，对设备各项数据如实记录存档，做好设备性能、预防性测试，掌握设备的基本情况；②加强设备的联合检查，组织专业人员参加联合检查，通过定期检查，及时发现的问题，做好预防性检查维护工作[7]。

4）提高设备的智能化水平。随着能源结构的调整，煤炭生产朝着大型化、智能化方向发展，智能化矿山建设首先要提高设备的智能化水平。减速机可以通过增加测量装置，实现实时动态监测。带式输送机使用的减速机一般为定制产品，对于采用压力润滑外置冷却器的减速机，可以采集润滑油压力和温度数据，同时采集各轴轴承的温度及振动值，将采集的数据实时上传，实现对异常高温、振动的报警[8]。

4 结语

通过分析DTⅡ型带式输送机减速机高速轴断裂的原因，可以得出设备管理属于全生命周期的管理，前期的选型计算、建设安装、检查维护贯穿于设备管理的全过程。带式输送机减速机高速轴断裂往往会造成带式输送机减产甚至直接停产，将严重影响企业的生产效益。提高减速机的选型计算的准确性、安装对中精度和检查维护的有效性，可以有效预防减速机发生损坏，确保减速机的稳定运行，进而保障企业的正常生产。