王連明

(安鋼集團舞陽礦業(yè)有限責任公司)

帶傳動在圓錐破碎機HP500中引起失效分析

王連明

(安鋼集團舞陽礦業(yè)有限責任公司)

HP500圓錐破碎機是進口設(shè)備，采用帶傳動。在帶傳動結(jié)構(gòu)中，多次發(fā)生嚴重的失效，其表現(xiàn)有三角帶失效；電機軸承損壞；電機軸彎曲變形、扭轉(zhuǎn)斷裂。采用現(xiàn)場調(diào)查與檢修案例相結(jié)合的方法，分析歷次三角帶、電機失效原因。依據(jù)帶傳動機理、相關(guān)參數(shù)，通過對電機軸伸所受壓軸力、力偶矩大小核算、及其矢量簡化視圖分析，判斷壓軸力、力偶矩對軸橫截面產(chǎn)生應力集中的影響。揭示電機軸彎曲變形、扭轉(zhuǎn)斷裂的根源。綜合分析失效原因，提出改進措施和建議，延長疲勞周期，保障先進設(shè)備HP500良好運行。

帶傳動 偏載 磨損 壓軸力 失效 高周疲勞

0 前言

HP500圓錐破碎機是進口設(shè)備，采用帶傳動，其傳動結(jié)構(gòu)由電機、三角帶槽輪、三角皮帶、傳動軸共同組成。其中電機為高壓6000 V、450 KW，皮帶輪直接裝在軸頭端部，采用懸臂支承的傳動形式，三角帶為聯(lián)組窄V帶25J3X7870或單根窄V帶。本單位兩個選廠有6臺相同型號HP500圓錐破碎機。自2011年3月安裝投產(chǎn)以來，筆者對所發(fā)生失效進行統(tǒng)計：三角帶質(zhì)優(yōu)價廉，一旦磨損、斷裂、起層隨時更換。2013年7月9日，西選廠HP500圓錐破碎機電機軸扭曲變形；2013年12月26日，東選廠HP500圓錐破碎機電機掃堂故障。2014年8月21日，西選廠HP500高壓6 000 V、450 KW發(fā)生故障。2014年9月4日，東選廠HP500圓錐破碎機電機軸承燒毀卡死被迫停機更換。同一臺HP500圓錐破碎機，曾于三日前電機軸承燒毀被迫停機更換。這些均對生產(chǎn)相對影響較大。

帶傳動在圓錐破碎機HP500中引起失效分為以下3種情況：(1)常見的三角帶失效：磨損、打滑、膠帶老化伸長或斷裂；(2)常見的主電機失效：電機軸承損壞而掃堂；(3)主電機失效造成嚴重后果：電機軸伸彎曲變形、扭轉(zhuǎn)斷裂，如圖1所示。

圖1 電機軸彎曲變形、斷裂

1 三角帶失效分析

1.1 HP500的帶傳動屬于高速帶傳動

HP500圓錐破碎機帶傳動在工作時，高速軸轉(zhuǎn)速n=1485 r/min，帶線速v=34.97 m/s，遠大于30 m/s，屬于高速帶傳動。在高速帶傳動中，帶的壽命占有很重要的地位，不僅要求帶的撓曲性好，能適應高周疲勞作業(yè)，而且安裝要規(guī)范，以減少額外的損傷。

1.2 三角帶的安裝、檢測、調(diào)整實踐分析

HP500圓錐破碎機電機及三角帶安裝過程中。發(fā)現(xiàn)安裝、檢測、調(diào)整往往達不到理想狀態(tài)。兩帶輪端面不在同一平面內(nèi)，到三角帶邊沿外觀有毛邊，觸摸帶輪輪槽沿，單邊留有很深邊棱印痕。檢測結(jié)果是兩個三角槽輪相差一個半槽輪，這時通過綜合調(diào)節(jié)電機底座和調(diào)整螺栓，使兩帶輪中心在一條直線上。此時，作業(yè)人員對三角帶的漲緊程度有分歧，誤認為三角皮帶越緊越好，越緊電機傳遞扭矩更大，圓錐破碎機能破碎更多堅硬礦石，破碎腔不堵不卡。三角帶過緊，三角皮帶變形較大，膠帶老化伸長容易失去彈性，斷裂，降低皮帶的使用壽命，甚至造成軸的徑向負荷加大，使軸承發(fā)熱和磨損，增加功率消耗，適得其反；三角帶過松則容易打滑，降低傳動效率，加速磨損。

2 圓錐破碎機HP500電機軸承損壞分析

2.1 負載端軸承損壞頻率高

查閱相關(guān)歷次電機檢修檔案發(fā)現(xiàn)：首先進行絕緣檢測，短路接地；其次逐步解體電機，發(fā)現(xiàn)負載端軸承損壞頻率高。仔細地檢查：現(xiàn)象有發(fā)藍、軸承受力痕跡明顯，滾道劃痕、偏一側(cè)有剝落現(xiàn)象，球架散架。結(jié)果是軸承損壞直接造成電機掃堂故障，如圖2所示。

(a) 軸承受力痕跡 (b) 滾道偏載劃痕

2.2 負載端軸承承受偏載

通常大型電機一般以純扭矩輸出動力，電機軸承只是承擔轉(zhuǎn)子重量，軸承在正常負荷下運轉(zhuǎn)。但在HP500圓錐破碎機電機中，電機軸承除承擔電動機轉(zhuǎn)子重力外，還必須承受徑向帶輪重力、三角帶拉力及三角帶安裝引起的軸向推力等外力。此外力產(chǎn)生的電機軸彎曲變形造成軸承內(nèi)部間隙沿軸線不等使軸承滾子偏載，尤其是皮帶輪端軸承承受偏載力占比較大，偏重荷載下軸承過熱壽命下降，導致軸承頻繁損壞。統(tǒng)計電機檢修案例：軸承損壞或因為軸承損壞而造成的電機故障，占了電機全部故障的80%以上，可以證實，除軸承質(zhì)量因素、潤滑冷卻不足以外，嚴重偏載是主要原因。

3 電機軸失效原因探討

電機軸承所受主要外力-壓軸力。壓軸力指三角帶傳動作用在軸上的力。以HP500圓錐破碎機電機軸為例，分析壓軸力對電機軸產(chǎn)生的彎曲變形原因。

確定作用在軸上的壓力FQ。傳動帶以一定初拉力F0緊套在帶輪上，工作時，帶傳動的緊邊拉力和松邊拉力對軸產(chǎn)生壓力FQ，它等于緊邊和松邊拉力的向量和，拉力、壓軸力向量如圖3所示。

圖3 拉力、壓軸力向量圖

帶傳動作用在軸上的初拉力F0和壓軸力FQ可以通過下式計算：

(2)

式中：a1——小帶輪上的包角，度； z——V帶根數(shù)，條； Kα——包角修正系數(shù)(見表1)； Pc——計算功率，kW； q——v帶單位長度的質(zhì)量，kg/m； v——帶的速度，m/s。

表1 包角修正系數(shù)Kα(摘自GB13575.1-92)[2]

3.1 HP500圓錐破碎機電機及帶傳動相關(guān)參數(shù)

該電機銘牌顯示型號YKK400-4；額定功率P=450 kW；轉(zhuǎn)速n=1 485 r/min；雙班制連續(xù)工作，單向運轉(zhuǎn)。實測數(shù)據(jù)：電機軸頭直徑d1=110 mm；帶輪輪槽楔角=38 °；電機軸伸段皮帶輪中心至支撐點長度L=200 mm；大帶輪直徑D2=750 mm；小帶輪直徑D1=450 mm；大、小帶輪之間中心距a=2 900 mm；三角帶根數(shù)Z=12。查閱HP500圓錐破碎機使用說明書：帶的型號為聯(lián)組窄v帶25J3X7870。

3.2 確定計算功率Pc

計算功率Pc是根據(jù)傳遞的電機的額定功率，并考慮載荷性質(zhì)和每天運轉(zhuǎn)時間長短等因素的影響來確定，即：

Pc=KAP

式中：P——傳遞的額定功率(這里指電機的額定功率)，kW；

KA——工作情況系數(shù)。

由于HP500圓錐破碎機載荷變動很大，每天工作10h，所以選工況系數(shù)KA=1.6[1]。經(jīng)計算可得Pc= 720kW。

3.3 帶的速度v

帶傳動在工作時，傳動帶的緊邊拉力和松邊拉力不同，會產(chǎn)生彈性滑動和打滑現(xiàn)象。當緊邊繞上主動輪時，帶的線速度v和主動輪的圓周速度相等[1]。帶的速度由下式計算：

式中：n——主動輪的轉(zhuǎn)速，r/min；D1——主動輪的計算直徑，mm。

近年來，廣西越來越重視健身休閑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模也逐年擴大。2015年廣西體育健身休閑活動總產(chǎn)出和增加值分別為7.5億元和3.5億元，占全區(qū)體育總產(chǎn)出和增加值的比重分別為4.8%和4.9%①資料來源：《廣西壯族自治區(qū)體育局發(fā)布2015年全區(qū)體育產(chǎn)業(yè)規(guī)模及增加值的公告》（桂體經(jīng)〔2017〕19號）。。綜觀整個體育服務業(yè)（除體育用品和相關(guān)產(chǎn)品制造業(yè)、體育場地設(shè)施建設(shè)外的其他9大類），經(jīng)濟規(guī)模較大的是體育場館服務，總產(chǎn)出和增加值分別為21.2億元和14.0億元，占比分別為13.6%和19.5%。由此可見，傳統(tǒng)體育產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，體育場館服務依舊是主要創(chuàng)收來源，健身休閑產(chǎn)業(yè)尚有較大提升空間。

經(jīng)計算可得v=34.97m/s。

3.4 驗算小帶輪上包角

帶在帶輪上的包角由小皮帶輪直徑、大皮帶輪直徑及大、小帶輪之間中心距之間關(guān)系來確定[1]，即：

3.5 確定初拉力F0

型號25J3X聯(lián)組窄v帶單位長度的質(zhì)量q=0.693kg/m[2]。當α1=174 °時，由表1查得包角修正系數(shù)ka=0.99。由公式(1)計算可得，F(xiàn)0=1 351.44N。

3.6 確定作用在軸上的壓軸力

根據(jù)所確定的F0及包角α1值，由公式(2)計算可得壓軸力FQ=32 389N。

3.7 電機軸伸受組合力矩

圖4 電機的固定端約束圖

3.8 按彎扭合成校核軸強度

按第三強度理論公式，計算A截面彎曲應力

式中：σA——A截面彎曲應力，Mpa；

Me——彎扭合成當量彎矩，N·m，

W——軸的抗彎截面系數(shù)[2]W=118mm3。

因彎矩在軸截面上所引起的應力為循環(huán)脈動變應力，取折和系數(shù)：α=0.6。根據(jù)M、T值求得Me=6706.47N·m。電機軸用材料采用調(diào)質(zhì)45鋼，許用彎曲應力值[σ0]=95Mpa；計算比較危險截面A處彎曲應力，σA=56.8Mpa<[σ0]。

根據(jù)理論分析結(jié)果，危險截面彎曲應力小于許用彎曲應力值。與實物圖1相互對照，彎曲變形斷裂在電機軸幾何臺階附近，臺階位置因幾何形狀突變，應力集中。同時承受尖峰彎曲應力 ，應力達極大值，隨循環(huán)應力次數(shù)增多超過局部區(qū)域材料彎曲疲勞極限，促使初始疲勞裂紋形成，并促使裂紋擴展。此危險區(qū)域易發(fā)生斷裂事故。

4 HP500圓錐破碎機電機失效的進一步分析

軸傳遞轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動循環(huán)切應力對圓錐破碎機電機軸的影響。從圖4可以看出電機軸是受彎矩、扭矩復合作用。HP500圓錐破碎機電機為臥式安裝，電機軸所受力：(1)轉(zhuǎn)子重量作用在軸上徑向力和軸外伸端安裝皮帶輪承受的徑向力，電機軸承受的這兩種徑向力產(chǎn)生徑向彎曲應力和拉應力都比較小，可以忽略不計[3]。(2)電機軸傳遞轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動循環(huán)切應力，電機軸在以切應力脈動循環(huán)下易發(fā)生高周疲勞破壞，這是電機軸斷裂的另外一個原因。斷裂的極細疲勞裂紋常始于軸的表面，然后逐步發(fā)展深入內(nèi)部，所以強化處理表層，不為疲勞源留下入口。

一般電機軸用材料采用45鋼、20CrMnTi、40Cr、40CrNi等，以45鋼、20CrMnTi為例比較不同表面質(zhì)量，在應力集中區(qū)域軸階梯處，軸徑獲得扭轉(zhuǎn)疲勞極限應力大小。按公式(3)和(4)測算具有應力集中情況下電機軸的疲勞極限應力τ'-1。45鋼和20cr的主要力學參數(shù)，見表2。

表2 選用材料主要力學性質(zhì)[4]

(3)

(4)

式中：T——電機軸傳遞的額定轉(zhuǎn)矩，N·m；

P——額定功率,kW；

n——額定轉(zhuǎn)速，r/min；

τ'-1——具有應力集中的電機軸扭轉(zhuǎn)疲勞極限應力，Mpa；

τ-1——電機軸傳遞的扭轉(zhuǎn)疲勞極限應力，Mpa；

Wp——零件危險截面的抗扭截面系數(shù)[3]，選取WP=248.48cm3；

β——表面質(zhì)量系數(shù)；

ετ——零件尺寸系數(shù)；

η——零件設(shè)計的安全系數(shù)[3]，選取η=1.3；

Kτ—一切應力有效應力集中系數(shù)；

ψτ—一切應力種類系數(shù)。

針對HP500圓錐破碎機電機，測算電機軸伸臺階過渡圓弧R=2mm。

依據(jù)公式(4)計算出調(diào)質(zhì)45#鋼和20CrMnTi合金，τ'-1值分別是2.109Mpa和4.7Mpa。比較具有應力集中的電機軸扭轉(zhuǎn)疲勞極限應力τ'-1，45#鋼τ'-1值遠遠低于20CrMnTi的τ'-1。這是因為材料20CrMnTi表面質(zhì)量系數(shù)β=3，遠大于45#鋼表面質(zhì)量系數(shù)β=1，表面質(zhì)量系數(shù)越高的材料，疲勞裂紋發(fā)生的時間延長。

5 失效分析結(jié)論

進口設(shè)備圓錐破碎機HP500的帶傳動，采用懸臂支承傳動方式，同時三角帶在高速重載下，由于檢測、調(diào)整安裝不當?shù)寞B加因素，加速三角帶磨損、斷裂、起層；三角帶對電機產(chǎn)生附加徑向力和軸向力，進而傳遞到軸和軸承，產(chǎn)生偏重載，造成非正常磨損和破壞；在彎矩、扭矩復合作用下，由于電機軸應力集中，彎曲疲勞極限值小，造成電機軸彎曲變形、扭轉(zhuǎn)斷裂失效。

6 改進措施和建議

6.1 規(guī)范安裝三角帶

筆者收集相關(guān)三角帶安裝規(guī)范[4]及經(jīng)驗提出以下建議： 安裝三角帶一定要把握3個要點：

(1) 兩帶輪端面必須在同一平面內(nèi)，才能滿足兩只帶輪中心對齊，從而保證兩個帶輪的輪軸平行，輪槽對準，具體以帶輪對中儀器校核；或用拉線法檢測。

(2)三角帶松緊適宜，正確做法是使用測力計、平板尺在每條三角帶中部施加2kg左右垂直力，下沉量20mm～30mm為宜。

(3)不同廠家的或新舊不同三角帶不宜同時使用。

6.2 軸承的選用與監(jiān)測

軸承的選用與監(jiān)測要做好兩點：

(1)電機的軸承規(guī)格選擇：優(yōu)先選用高等級電機軸承，足以承受懸掛皮帶輪的重量和三角帶拉力，盡量避免不利外力荷載；

(2)利用精密儀器診斷技術(shù)新方法提高軸承壽命。日常檢查及維護保養(yǎng)，應借助精密儀器檢測分析，例如HBA-2電腦軸承分析儀，不通過解體準確判斷軸承工作狀態(tài)、潤滑狀態(tài)及安裝是否良好，做好事故的早期預防，發(fā)現(xiàn)聲音、震動、溫度異常，就應合理更換軸承，實現(xiàn)精品檢修。

7 結(jié)語

針對圓錐破碎機HP500電機軸結(jié)構(gòu)改進與性能進一步提高的建議。

(1)合理降低電機軸應力集中；

(2)通過以上理論分析20CrMnTi和調(diào)質(zhì)45#鋼兩種軸用材料的強度及強化處理表面，20CrMnTi合金鋼能延長疲勞裂紋發(fā)生的時間，也能提高軸的疲勞壽命，電機軸用20CrMnTi替代調(diào)質(zhì)45#鋼。為該類電機的設(shè)計分析提供參考依據(jù)。

[1] 濮良貴，紀名剛主編.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，1996:157-164.

[2] 王德俊. 機械設(shè)計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社 2000：1-390，420.

[3] 曾翠華. 電機軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機電設(shè)備，2005，22(2)：44.

[4]JGJ03-90水泥機械設(shè)備安裝工程施工及驗收規(guī)范[S].

FAILURE ANALYSIS OF BELT DRIVE IN CONE CRUSHER HP500

Wang Lianming

(Hen-an Steel Group Wuyang Mining Co.，Ltd)

HP500 cone crusher is imported equipment with belt drive. In the belt transmission structure, many times of serious failure occurred, which showed the failure of the triangle belt, the damage of the motor bearing, the bending deformation and torsional fracture of the motor shaft. By using the method of field investigation and maintenance case, the failure reason of the triangle belt and motor is analyzed. On the basis of the belt drive mechanism and the related parameters, the motor shaft compression axial force, torque and size calculation, a simplified view of vector analysis, judgement of axial force and torque of couple have the effect of stress concentration on the shaft cross section. The origin of the bending deformation and torsional fracture of the motor shaft is revealed. Comprehensive analysis of the causes of failure, and puts forward measures and suggestions to improve the extension of the fatigue cycle, to ensure the good operation of advanced equipment HP500.

belt drive eccentric load wear axial force failure fatigue

明，工程師，河南.舞鋼(462500)，河南安鋼集團舞陽礦業(yè)有限責任公司；

2017—2—3