孫曉軍，邵玉良，費(fèi)曉芳，白金龍

(1.包鋼集團(tuán)巴潤(rùn)礦業(yè)有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古包頭市 014080;2.包鋼集團(tuán)白云鄂博鐵礦， 內(nèi)蒙古包頭市 014080)

0 引言

白云鄂博西礦是世界著名的白云鄂博礦床最大的礦體群，礦體呈向斜構(gòu)造，東西長(zhǎng)約10 km，南北寬約2 km，初期勘探鐵礦石儲(chǔ)量數(shù)億噸，屬低磷、低氟、低稀土大型鐵礦床，礦體分布集中，適合大型露天開(kāi)采［1-2］。

從生產(chǎn)性、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、維修性、適用和耐用性、通用和成套性、環(huán)保性等方面綜合考慮研究［3］，最終采掘設(shè)備選定為 WK －10、WK －20、WK－27型電鏟。

WK－27型電鏟是巴潤(rùn)公司2011年引進(jìn)的大型采礦設(shè)備，由于其中央樞軸鎖緊鍵部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，多次造成設(shè)備故障，故障率極高，成為日常設(shè)備點(diǎn)檢重點(diǎn)關(guān)注的部位。點(diǎn)檢必須及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理。而且鎖緊鍵撕裂，翹起嚴(yán)重時(shí)，會(huì)損壞其上部安裝的價(jià)值數(shù)十萬(wàn)的高低壓集電環(huán)。集電環(huán)錯(cuò)位也會(huì)造成高低壓電路接地，發(fā)生觸電事故和設(shè)備事故，成為極大的安全隱患。

1 中央樞軸的受力分析

1.1 受力分析

電鏟在挖掘過(guò)程中，由于受力不均或鏟斗伸出過(guò)遠(yuǎn)，會(huì)使整個(gè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)對(duì)中心軸處于不平衡狀態(tài)。這時(shí)，中心軸上會(huì)出現(xiàn)拉伸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。而鏟斗在滿載回轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于回轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，底架梁與中央樞軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，電鏟回轉(zhuǎn)扭矩及振動(dòng)很大，作業(yè)工況復(fù)雜，這些力都會(huì)作用在中央樞軸上。

1.2 中央樞軸常見(jiàn)故障原因分析

因中央樞軸故障而導(dǎo)致設(shè)備需要停機(jī)維修的原因可以概括為以下幾點(diǎn):中央樞軸鎖緊鍵撕裂、中央樞軸螺紋損壞、輥?zhàn)訑噍S和環(huán)軌損壞、配重的影響、崗位操作人員操作和維護(hù)不到位等［4］，而這其中主要以中央樞軸鎖緊鍵撕裂故障為主。

1.3 存在的問(wèn)題

(1)中央樞軸鎖緊鍵上部有6000伏高壓集電環(huán)，日常點(diǎn)檢較為困難且危險(xiǎn)因素較多。

(2)如鎖緊鍵撕裂而點(diǎn)檢人員沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就給崗位操作人員留下了較大的安全隱患。

(3)由于鎖緊鍵撕裂而導(dǎo)致設(shè)備故障后，維修時(shí)間長(zhǎng)且需要大量工程輔助設(shè)備協(xié)助處理［5］。

2 中央樞軸鎖緊鍵原設(shè)計(jì)

WK－27型電鏟中心軸螺帽布置在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上部，中心軸螺帽設(shè)有長(zhǎng)120 mm、寬75 mm、深30 mm的槽，卡槽內(nèi)設(shè)有附加鍵，附件鍵上用兩個(gè)螺栓固定鎖緊板，鎖緊板厚度為16 mm，鎖緊板三面開(kāi)有卡槽。中心軸上同樣開(kāi)有長(zhǎng)75 mm、寬40 mm、深75 mm的槽。調(diào)整好中心軸間隙后，在中心軸與鎖緊板配合的槽內(nèi)插一塊長(zhǎng)75 mm、寬40 mm，厚75 mm的鍵，稱作鎖緊鍵，如圖1所示。

這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)電鏟回轉(zhuǎn)時(shí)，中央樞軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，本身不應(yīng)承受回轉(zhuǎn)扭矩，由于工況復(fù)雜，中心軸銅套偏磨、受力不均等因素，使中央樞軸與螺帽之間產(chǎn)生相對(duì)位移，這樣的位移完全由鎖緊鍵及兩個(gè)螺栓克服。在生產(chǎn)實(shí)際中，鎖緊鍵受到的剪切力，將鎖緊板卡槽口壓潰、進(jìn)而撕裂，M20和M16的兩個(gè)螺栓被剪斷，鎖緊板變形、錯(cuò)位，直接影響其上安裝的高低壓集電環(huán)的正常工作。

圖1 中央樞軸組件

3 中央樞軸鎖緊鍵改造后設(shè)計(jì)

將螺帽上安裝附加鍵的槽銑通至螺帽內(nèi)徑，調(diào)整好中心軸間隙后，螺帽卡槽與中央樞軸卡槽正對(duì)，加工一尺寸為180 mm×75 mm×30 mm的鍵，鍵用強(qiáng)度極限不低于600 MPa的鋼材料制成［6-8］。取消原鎖緊鍵及附加鍵，新鍵用來(lái)固定螺帽與中央樞軸的相對(duì)位置，如圖2所示。

圖2 改造后中央樞軸組件

4 鍵的理論計(jì)算

4.1 原鎖緊鍵的尺寸

原鎖緊鍵尺寸為75 mm×40 mm×75 mm，但其與鎖緊板接觸厚度僅為16 mm，在鍵的靜連接中，鎖緊板屬于弱的零件。其傳遞的轉(zhuǎn)矩為:

式中，T1為轉(zhuǎn)矩，N·m;h1為鍵高，m;L1為鍵的接觸長(zhǎng)度，m;d1為軸徑，m;［σ］p為許用擠壓應(yīng)力，N。

4.2 改造后鎖緊鍵的尺寸

改造后的鎖緊鍵尺寸為180 mm×75 mm×30 mm，鍵不與鎖緊板接觸，直接固定螺帽與樞軸。其傳遞的轉(zhuǎn)矩為:

將各數(shù)值代入公式比較得知，T2≈8.4T1，改進(jìn)后鍵承受的轉(zhuǎn)矩增大了8倍多。

5 結(jié)論

(1)采用強(qiáng)度極限不低于600 MPa的鋼材料制成的新鎖緊鍵可滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。

(2)通過(guò)對(duì)WK－27型電鏟中央樞軸鎖緊鍵的改造，從2013年至今沒(méi)有發(fā)生鎖緊板變形、移位現(xiàn)象，高低壓集電環(huán)工作環(huán)境安全穩(wěn)固。

(3)此改造費(fèi)用低，效果好，降低了設(shè)備日常點(diǎn)檢的工作強(qiáng)度，保證了設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

［1］劉建勇，趙永崗，張速旺.白云鄂博礦床極貧鐵礦石和難選鐵礦石資源開(kāi)發(fā)利用前景分析［J］.金屬礦山，2008(11):170-174.

［2］劉云生，白新榮，李占坤.巴潤(rùn)礦業(yè)公司景觀規(guī)劃初探［J］.包鋼科技，2010，36(1):65-68.

［3］陳星明.露天礦山采掘設(shè)備選型優(yōu)化配置的研究［J］.采礦技術(shù)，2005，5(4):34-37.

［4］李立明.汪 洋.2100BL電鏟中央樞軸的改進(jìn)［J］.設(shè)備維修，2010(3):48-49.

［5］劉天林.WK－10B型挖掘機(jī)中央樞軸和環(huán)軌損壞原因分析及更換方法［J］.礦山機(jī)械，2011，39(1):138-139.

［6］來(lái) 彬，任家駿，吳鳳林，等.普通平鍵尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2006(3):21-22.

［7］何正嘉，袁 靜，訾艷陽(yáng).機(jī)械故障診斷的內(nèi)積變換原理與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2012:47-60.

［8］褚福磊，彭志科，馮志鵬，等.機(jī)械故障診斷中的現(xiàn)代信息處理方法［M］.北京:科學(xué)出版社，2019:115-121.