螺旋式输砂装置故障原因分析及改进措施

温军刚

（国能朔黄铁路机辆公司，河北沧州 062350）

1 输砂装置设备简介

螺旋式输砂装置安装于机辆分公司神池南折返段内，神池南折返段位于作为朔黄铁路西大门的神池南站东端，日均出、入库机车150 余台，是机车折返整备的重要场所，为朔黄铁路上行重载列车保证机力供应。该输砂装置于2015 年4 月下旬投入使用，位于折返段入库线机1、机2 道两侧，为入库机车进行上砂整备作业。螺旋式输砂装置主要由1 个进砂漏斗、1 个星型卸料器、1 条带式输送机、1 条斗式提升机、1 套除尘器、1 条LS400 螺旋输送机、6 个分料漏斗、6 个电动插板阀、6 条LS250螺旋输送机、48 个储砂罐、1 套电气控制系统控制柜及操作台等部件组成，设备布置如图1 所示。

图1 螺旋式输砂装置设备布置

机车专用砂日常储存在砂房内，是已经过筛的合格干砂。砂房内设置用于堆积砂料的料斗，砂料由料斗经皮带输送机进入斗式提升机，然后由斗式提升机提升至9.5 m 高之后落入收集砂箱，利用砂料的重力进入架空输送系统的LS400 螺旋输送机。螺旋输送机设置在输砂线的中部横向（垂直于机车走行线路方向）位置，砂料在螺旋叶轮的驱动下在直管内作水平位移，当砂料运送到纵向（平行于机车走行线路方向）布置的LS250螺旋输送机上方时，通过2 条输砂管道给每条纵向输砂线供应砂料，出砂量由电动阀门控制。砂料在纵向输砂线上的螺旋输送机直管内作水平位移，分别沿机车走行线向两端输送，最后落入位于2 条机车走行线两侧的48 个储砂罐中，完成输砂作业。

2 设备故障原因分析及改进措施

2.1 LS250 螺旋输送机减速器断轴故障

2.1.1 故障描述

螺旋式输砂装置设备运转过程中，加砂作业人员发现纵向布置的LS250 螺旋输送机电机旋转，而螺旋输送机的尾部轴端不旋转，通过观察及检修孔查看发现螺旋轴也不旋转，初步断定为减速器和螺旋轴连接部件出现问题。进一步分解检查，发现减速器的输出轴断裂（图2）。在2015 年6—7 月份，输出轴断裂故障共发生3 起，故障迹象完全相同。

图2 螺旋输送机减速器断轴

2.1.2 断轴原因分析

由图3 可以清晰地看到，螺旋输送机的动力由三相交流电机提供，通过行星减速器传递给螺旋输送机的螺旋轴。螺旋轴在水平布置的钢制直管内连续旋转，螺旋轴叶片旋转带动直管内的砂料做水平位移，从而达到运送砂料的目的。

图3 改进前螺旋输送机减速器传动示意

设计上，将减速器的输出轴与螺旋输送机的螺旋轴通过联轴器直接相连，螺旋轴沿长度方向在其他部分（含尾部）均设有吊装轴承。这样，螺旋输送机的螺旋轴作为长杆形配件，由轴头的减速器输出轴和其他吊装轴承共同承担其重力。减速器输出轴除了承担轴向扭矩负荷外，还要承担径向的重力。

在输砂过程中，由于砂料集中在螺旋轴的底部输送，螺旋轴叶片在推动砂子往前运动过程中螺旋轴的受力不断发生变化，这种持续的交变载荷最终通过螺旋轴集中到减速器输出轴上。由于减速器输出轴在该处设计为台阶轴，在机械加工过程中不可避免地存在应力集中。

在重力和持续的交变载荷的双重作用下，反复冲击引起疲劳，使轴逐渐产生裂纹，最终完全断裂。如果减速器输出轴附近的螺旋轴吊装轴承故障，起不到支撑螺旋轴重力的作用，减速器输出轴承担的螺旋轴重力加大，则会加速其断裂。

2.1.3 改进措施

通过以上分析，引起减速器输出轴断轴故障的主要原因是：①螺旋轴重力作用；②持续的交变载荷；③台阶轴的应力集中；④偶发的吊装轴承故障导致重力加大。对上述4 种原因进一步分析，其中第2、3 种原因在设备工作或设计加工中是不可避免的；第4 种原因可以通过加强日常设备检查、润滑保养或技术改进来保证吊装轴承的正常工作；对于第1 种原因，需要在原设计的基础上加装支撑座（图4、图5），支撑座内设轴承，使减速器输出轴只承担轴向的扭矩负荷，径向负荷由支撑座来承担，在很大程度上减少了减速器输出轴疲劳断裂的可能。通过以上改进，设备重新投入应用以来未再出现断轴故障。

图4 改进后螺旋输送机减速器传动示意

图5 支撑座结构

2.2 LS250 螺旋输送机吊装轴承故障

2.2.1 故障描述

加砂人员在正常加砂过程中，发现出砂管内有轴承碎物随砂子流出，进一步分解检查，发现吊装轴承的迷宫部分已完全破裂，轴承保持架和滚珠等完全解体，轴承报废。

2.2.2 原因分析

螺旋输送机吊装轴承安装在螺旋输送机的螺旋轴上，主要起支撑螺旋轴的作用。该轴承工作环境比较恶劣，轴承轴向两端周围均为螺旋轴输送的砂料，因此轴承的密封非常关键。设计方面，轴承密封采用迷宫型式将可能进入轴承的砂粒封住（图6）。实际工作中，螺旋轴输送的砂料并非粒径均匀一致的砂粒，砂料里面还有很多微小颗粒和灰尘。由于砂料为机车专用石英砂，具有较高的硬度，且这些微小颗粒有较强的针入性。微小颗粒进入迷宫，不断的磨损使迷宫的间隙加大，当间隙加大积累到一定程度后，大颗粒砂粒直接进入迷宫将轴承碾碎，造成轴承故障。

图6 改进前吊装轴承结构

另一方面，轴承的定期润滑保养和日常检查对于轴承的使用寿命的延长也非常重要，只有润滑到位才能有效地防止轴承因缺油、意外侵蚀等造成轴承失效，导致设备故障。

2.2.3 改进措施

由于原设计中理想化地认为砂料全部是粒径一致的标准颗粒，没有考虑到砂料中的微小颗粒和灰尘，而正是这些微小颗粒和灰尘的侵蚀最终导致轴承故障。针对轴承工作环境中存在的微小颗粒和灰尘，对吊装轴承结构的密封型式进行改进，在原有轴承结构基本连接尺寸不变的前提下，重新设计迷宫密封结构（图7），增加了反向退砂结构和油封，这样改进一方面保证了轴承内部的油脂不外溢，另一方面杜绝了微小颗粒的进入。

图7 改进后吊装轴承结构

同时，加强对设备的日常巡检保养，特别是对吊装轴承的润滑实行定点、定质、定量、定期、定人等“五定”制度，也是必不可少的改进措施。

3 结束语

螺旋式输砂装置作为重要的铁路机车整备设备，通过技术改进使设备各部的承受载荷趋于合理，工作环境趋于稳定。只有加强设备日常检查保养，才能有效避免可能发生的突发故障，保证设备的正常运转。