煤矿皮带运输机的减速装置断轴分析及改进

韩 龙

（阳煤集团山西宏厦第一建设有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

引言

近年来，随着采煤技术及井下运输设备的不断发展，皮带运输机作为输送系统中最为关键的机械设备已经得到了煤矿企业的普遍认可，其结构简单、运煤量大、井下作业人员操作与维修容易，不仅承担着煤矿企业的输送任务，而且为保证煤矿生产的正常进行提供了依靠，极大地确保了煤矿产煤的稳定性，因此被煤矿企业广泛应用。但是由于机械制造水平的提高，皮带运输机的功率以及负荷在不断增大，在这种情况下，与皮带运输机配套使用的减速装置常常会发生断轴现象，给煤矿正常生产活动的进行带来了极大的阻碍。而造成皮带运输机减速装置的输入轴断裂的原因各有不同，需要根据矿井以及生产的实际情况，从设备的设计、制造，以及设备的安装、使用等方面出发，对输入轴断裂的原因进行详细分析，以找到轴断裂的根本原因，从而提出减少轴断裂的有效措施，保证煤矿的安全生产以及稳定的产煤量。

1 煤矿皮带运输机断轴现象分析

本研究针对某矿皮带运输机减速装置所发生的断轴现象，从多个不同的方面对事故发生的原因进行详细分析，具体事故情况为:该矿在进行煤炭的生产过程中发现，当皮带运输机使用一段时间后，其减速装置就会发生故障，具体表现为减速装置的输入轴位置发生了断裂。其设备情况为:煤矿井下的皮带运输机所采用的减速装置为三级直交轴减速机，且该减速机的输入轴与电机不是直接连接的，他们之间还存在着两个连接元件，液力耦合器以及联轴器。除此之外，在整个设备的运行过程中，电机的额定功率为300 kW，而输入的转速为24 r/s。皮带运输机中减速装置与电机的连接如图1所示。

图1 减速机与电机连接示意图

1.1 化学成分分析

由于减速装置发生了断轴现象，所以首先从发生断裂的部件出发，对减速装置的输入轴进行化学成分分析，以判断该输入轴本身是否符合相关的标准和规定。在此，我们采用的是直读光谱仪来对减速装置输入轴的化学成分进行检验和分析，通过测试可知，C、Si、Mo、Ni以及 Cu 的含量（质量分数）均在0.5%以下，P、S以及Al的含量（质量分数）在0.05%以下，Mr、Cr的含量（质量分数）在1.5%以下，而Fe的含量（质量分数）在96.5%以下，因此该输入轴的化学成分及含量均符合相关标准的规定，输入轴在设计制造上是不存在问题的。

1.2 硬度检验

当减速装置输入轴的硬度不达标时，在超负荷运行情况下，输入轴也常常会发生断轴现象，因此有必要对输入轴的硬度进行检验，一般而言会选取两个试样，一个试样是在断裂处选取，另一个试样是在距离断裂处一定位置的原始表面上选取，然后对这两个试样进行硬度检验，检验结果显示，表面的检测硬度（HRC）为 55～57，而内部的检测硬度（HRC）为32～37，均符合轴段硬度的设计要求，故输入轴的硬度也是不存在问题的。

1.3 探伤检验

在设计制造输入轴的过程中，由于加工工艺的不足可能会使输入轴内部出现缺陷，一旦输入轴内部存在问题也极易发生断裂，因此需要对输入轴内部进行探伤检验，其检验的方法是超声波检验，通过检验发现在输入轴内部是不存在伤痕的；其次需要对输入轴内部的裂纹进行检验，通过在断口附近进行着色探伤检验后发现没有裂纹，因此对减速装置的输入轴来说，是不存在内部缺陷的。

1.4 轴断口分析

1.4.1 断口位置及形状分析

当减速装置的输入轴发生断裂时，由于受力情况的不同，发生断轴的位置以及断口的形状也是不同的。在此次煤矿的皮带运输机故障事故中，发生断裂处的位置是在圆锥滚子轴承的中间部位；同时经过初步观察可知，其断裂形状为贝壳状，具有典型的疲劳断裂的特征，因此可以大致判断该断轴处的断裂花纹为疲劳断裂[1]。

1.4.2 疲劳源分析

同时经过仔细观察可以发现，发生疲劳断裂的源头有两个，其中一个是主要源头，另一个是次要源头。对断裂的位置以及断口形状进行分析以后，又对裂纹的长度以及断裂的方向做出了分析，结果显示该裂纹是由内向外发展的，即裂纹是从输入轴断裂的位置处向输入轴的两端延伸的，造成这种现象的原因是拉应力以及剪应力在不断地增加。而从输入轴断裂的整体情况来看，裂纹从主源中产生，产生之后就开始向中间扩展，当应力越来越大时，就会形成一个次生源。除此之外还对断裂处的前沿线进行了分析，通过分析可知，断裂发生在磨损程度较为严重的区域，其断口并没有多次受到磨损的痕迹，且断口较为新鲜，虽然上面覆盖着皮带运输机的润滑油，但经过清洗以后，可以清晰的看到断口处的金属光泽，且由于挤压金属没有受到沉积碳的影响，其断口处有一个约10mm的白斑，并保留着与断口处一样的光泽。通过对整个断口进行分析可知，除了有45%左右的断口面积受到了摩擦的损耗以外，其余部分并没有反复多次摩擦的痕迹，因此在整个断裂过程中，起到主要作用的是拉应力，随着拉应力的不断增大，会造成剪应力的扭转，从而导致扭转疲劳的发生，使减速装置的输入轴发生断裂。

1.5 相关应力参数分析

在设计制造皮带运输机时，通常需要根据电机的额定功率以及输入转数等情况进行相关应力参数的计算，其计算的主要参数包括：输入轴的传动力矩，沿轴向以及沿径向方向的应力，中点分度圆切向力以及断裂位置处的拉应力与剪应力。在计算了这些相关参数后，需要对这些参数进行统计与分析，结果表明，在减速装置输入轴断裂的地方会产生较大的拉应力，而随着这部分拉应力的增大，因扭转作用而产生的剪应力也会相应的增大，从而在这两种应力的同时作用下，发生疲劳断裂。

1.6 液力耦合器安装方式分析

对于该皮带运输机的减速装置来说，其输入轴两端安装的是液力耦合器，具有较大的重量，而对于电机输入轴来说，虽然轴的半径较大，但是只有少量的径向力，此时大部分的径向力都集中在减速装置输入轴的两端，同时由于液力耦合器自身的重量，电机轴所受到的应力严重不平衡。更为糟糕的是由于安装时的误差，耦合器与轴并没有位于同一个圆心上，因此会产生附加的应力值，该应力作用在联轴器靠近电机轴的位置，从而加速剪应力的增加，使轴更快的发生断裂。

2 断轴原因综合分析

对该矿皮带运输机减速装置发生断轴现象的原因进行了一系列的分析计算可知，该减速装置发生断轴的原因主要有以下三个方面。

1）该输入轴是由于疲劳而发生断裂的。具体表现在当皮带运输机正常工作时，会产生极大的拉应力，而这部分拉应力在进行叠加的过程中会产生剪应力，该剪应力会造成输入轴的扭转，当扭矩过大时，输入轴就会发生断裂。在断裂发生后，对断口的位置以及形状进行分析可知，该断裂属于扭转疲劳断裂。同时通过观察可以发现，在终端位置处，断裂大大减少，但在断口的附近位置处却存有在许多的裂纹，这说明了此次断裂所产生的交变应力不大，但是由于该减速装置所承受的负荷发生了重复的波动，所以使交变应力缓慢增加[2]。

2）液力耦合器与减速装置的安装位置不同心[3]。具体表现在由于在皮带运输机的安装过程中，减速装置所在的轴心与液力耦合器的轴心不在同一直线上，因此产生了多余的应力，对减速装置的输入轴产生了作用；同时当安装位置不同心时，轴承之间就会产生挤压，从而发生摩擦，导致输入轴的断裂。

3）液力耦合器安装形式的不合理。具体表现在液力耦合器安装到了输入轴的两端，造成了电机受力的不平衡，从而使轴承的受力不均匀，输入轴发生断裂。在安装液力耦合器时，比较好的安装方式是把液力耦合器安装到电机轴的两端，使电机轴所受到的应力与输入轴所受到的应力平衡，在减小拉剪应力的同时确保电机轴的安全性。

3 皮带运输机减速装置改进措施

1）在对皮带运输机的减速装置进行安装时，要提高安装的精度，尽量使减速装置的输入轴与电机轴的轴心在同一条直线上，以避免两者之间的相互摩擦。为了确保这两个轴心在一条直线上，可以采用相关的仪器来进行对正，比如激光对中仪或者百分表，从而将两者之间的安装误差控制在0.01mm以内。同时在皮带运输机正常运行的过程中，要尽量减少启动的次数，特别是重载启动[4]。

2）改变液力耦合器的安装形式，将其安装在电机轴的两端，使电机轴受到的应力与输入轴受到的应力在轴承上均匀分配，从而减少轴承的受力，保证其安全使用。

3）加强设备的检修与维护，按照相关的规定，每隔一段时间对轴承进行检查，定期更换润滑油，保证轴承始终处于良好的润滑状态中，一旦发现设备运行的噪声过大或者振动不正常，要及时更换相关的部件，保证设备的正常运行。

4 改进效果分析及检验

基于上述改进措施，对该矿皮带运输机减速装置的液力耦合器等进行更换以及重新安装后，减少了电机轴的负担，降低了过载系数，避免了断轴事故的发生。并且将此皮带运输机应用于实际矿井后也可以发现，运行情况正常，运煤能力也大大提高，保证了煤矿的稳定产煤量[5]。除此之外还对输入轴进行了探伤检验，检验结果显示该输入轴正常，在内部未产生断裂以及裂纹，因此此次改进为煤矿的安全运行做出了良好的保证。

5 结语

以上改进措施的实施，可加强皮带输送机减速装置输入轴的强度。通过改变液力耦合器的安装方式以及加强检修与维护等可减少断轴现象的发生，并在保证皮带运输机正常工作的前提下，提高运煤效率，保证煤矿的稳定产煤量，同时为其他矿井出现类似断轴问题的解决提供可借鉴的经验。