楊海鵬

（大陽(yáng)泉煤炭有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2018.04.27

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤礦企業(yè)采煤機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子負(fù)荷輸出端逐漸將由外花鍵改進(jìn)為內(nèi)花鍵，更便于設(shè)備的維護(hù)和修復(fù)，其特點(diǎn)是使用一根齒槽軸將電動(dòng)機(jī)與采煤機(jī)組進(jìn)行連接，當(dāng)機(jī)組發(fā)生負(fù)荷過(guò)載或者出現(xiàn)悶車(chē)情況時(shí)，齒槽軸會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)斷裂，此時(shí)僅需要更換一根齒槽軸即可完成修復(fù)，無(wú)需拆電機(jī)，但如果電動(dòng)機(jī)內(nèi)花鍵發(fā)生故障損壞，則必須拆下電機(jī)予以修復(fù)。過(guò)去內(nèi)花鍵損壞時(shí)，通常會(huì)采取更換新轉(zhuǎn)子的方式解決，但這種方式不但費(fèi)用高，需要25 000元左右，而且修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，下面我們將進(jìn)行YBC2-300型電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)花鍵修復(fù)技術(shù)的探討。

1 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)分析

圖1為YBC2-300型電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中我們可以看出，轉(zhuǎn)子內(nèi)花鍵的軸向位置與負(fù)荷端端部的距離為323 mm，轉(zhuǎn)軸和內(nèi)花鍵并不是獨(dú)立存在，而是一個(gè)整體，滾花和鍵烘裝將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸和鐵芯連接起來(lái)，一旦內(nèi)花鍵發(fā)生損壞無(wú)法繼續(xù)工作，則必須將整個(gè)轉(zhuǎn)子更換下來(lái)。由于修理廠一般都沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的加工轉(zhuǎn)子的設(shè)備，使用其他設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)子的加工又達(dá)不到工藝要求，此時(shí)只能通過(guò)電動(dòng)機(jī)制造廠家更換新轉(zhuǎn)子來(lái)解決根本問(wèn)題[1]。

圖1 YBC2-300型電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)花鍵修復(fù)方案

2.1 修復(fù)方案一

使用擴(kuò)孔車(chē)將花鍵損壞后將新的花鍵套更換上，最后在花鍵的外邊進(jìn)行鑲套，以此確?；ㄦI套的軸向位置準(zhǔn)確、固定。在采用方案一進(jìn)行內(nèi)花鍵修復(fù)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)過(guò)程中存在以下問(wèn)題：一般情況下，電機(jī)內(nèi)花鍵的軸向位置距離外端比較淺，因此內(nèi)花鍵的車(chē)掉、更換和焊接相對(duì)比較容易。但本文中研究的YBC2-300型電機(jī)內(nèi)花鍵的軸向深度高達(dá)323 mm，車(chē)掉難度比較大。即便將內(nèi)花鍵車(chē)掉，精度也無(wú)法滿(mǎn)足要求，這是因?yàn)閮?nèi)花鍵軸向深度太大，使得同軸度、圓跳動(dòng)的形位公差都無(wú)法達(dá)到相應(yīng)要求。除此之外，完成花鍵套的更換后，機(jī)械的強(qiáng)度需要通過(guò)焊接來(lái)保障，若工件短，焊接過(guò)后工件不會(huì)發(fā)生較大的變形，軸向傾斜度也會(huì)比較小。但是YBC2-300型電機(jī)的花鍵套有323 mm長(zhǎng)，進(jìn)行端部焊接后，軸向中心線非常容易發(fā)生傾斜，且傾斜度一般都會(huì)超過(guò)允許范圍，無(wú)法保證性能[2]。

2.2 修復(fù)方案二

運(yùn)用斷軸再接工藝進(jìn)行內(nèi)花鍵套的更換。即對(duì)轉(zhuǎn)子軸端部進(jìn)行適當(dāng)切割，以降低花鍵套的軸向深度，為內(nèi)花鍵套的更換和焊接提供便利。同樣使用擴(kuò)孔車(chē)將損壞的花鍵車(chē)掉，再將新的花鍵套與轉(zhuǎn)軸焊接起來(lái)，確保轉(zhuǎn)軸尺寸公差、形狀不發(fā)生變化。

通過(guò)加大焊接坡口尺寸，以及花鍵套外圓內(nèi)側(cè)與車(chē)掉花鍵套后的轉(zhuǎn)軸內(nèi)孔采用過(guò)盈配合的方式，保證焊接后電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸仍具備良好的機(jī)械強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐獲取的經(jīng)驗(yàn)，以及對(duì)轉(zhuǎn)軸機(jī)械強(qiáng)度的校核，此修復(fù)方案能夠較好的完成采煤機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)花鍵的修復(fù)[3]。

3 斷軸擴(kuò)孔過(guò)盈裝配大坡口焊接工藝技術(shù)研究

3.1 內(nèi)花鍵套設(shè)計(jì)

以齒槽軸參數(shù)為依據(jù)，確定內(nèi)花鍵套參數(shù)，如表1。

表1 內(nèi)花鍵參數(shù)

為了使齒面具備較強(qiáng)的抗疲勞強(qiáng)度和韌性，將齒面硬度（HBW）調(diào)質(zhì)為250～270；之后對(duì)中頻表面進(jìn)行淬火處理，深度保持在4～6 mm，將洛氏硬度（HRC）由原來(lái)的 30～35 提高到 45～48，至此內(nèi)花鍵的力學(xué)性能將得到很大的提升，能夠承受更大的交變載荷和沖擊載荷。

由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子會(huì)承受較大的負(fù)荷和沖擊，容易發(fā)生彎曲和扭斷，因此我們依據(jù)抗扭強(qiáng)度公式（1）來(lái)進(jìn)行花鍵套外徑的科學(xué)計(jì)算。

式中：d為花鍵套外徑，mm；T為軸所傳遞的扭矩，N·m；t為許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，選取最小值35N/mm2；?為空心軸內(nèi)經(jīng)d1與外徑d的比

式（1）中T的計(jì)算公式為：

式中：p為軸傳遞的功率，300 kW；n為軸的工作轉(zhuǎn)速，1 480 r/min。

將數(shù)據(jù)代入式（2）計(jì)算得T=1 935.8 N·m。

為保證電機(jī)具備較強(qiáng)的過(guò)載能力，應(yīng)當(dāng)按照最大轉(zhuǎn)矩進(jìn)行強(qiáng)度校核：Tmax=2×T=2×1 935.8=3 871.6 N·m。

將數(shù)據(jù)代入式（1）計(jì)算出

就此我們將花鍵套的外徑設(shè)計(jì)為d=100 mm。

3.2 內(nèi)花鍵套制造

根據(jù)以上計(jì)算出的數(shù)據(jù)，內(nèi)花鍵套的設(shè)計(jì)為圖2。

根據(jù)上文中得出的內(nèi)花鍵參數(shù)和尺寸，可依據(jù)以下工藝流程進(jìn)行內(nèi)花鍵的加工。

1）使用擴(kuò)孔車(chē)將舊的花鍵車(chē)掉。由于內(nèi)花鍵需要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的傳遞，又必須保持牢固，因此，我們選用Φ100H7/t6過(guò)盈配合用于鑲嵌的內(nèi)花鍵套，將孔擴(kuò)大刀Φ1000+0.035，經(jīng)過(guò)計(jì)算，內(nèi)花鍵軸孔配合的最大過(guò)盈量為-0.113 mm，最小為-0.56 mm，這樣能夠達(dá)到一定的精度，滿(mǎn)足內(nèi)花鍵設(shè)計(jì)要求，此外，內(nèi)花鍵完成焊接后還要使其具備良好的機(jī)械強(qiáng)度以及轉(zhuǎn)軸的抗扭強(qiáng)度。

圖2 內(nèi)花鍵套（單位：mm）

2）在對(duì)內(nèi)花鍵套進(jìn)行組裝之前，需要將電機(jī)轉(zhuǎn)子放入溫度為180℃的干燥室內(nèi)4～6 h，之后使用氧氣加熱局部軸頭，使其溫度達(dá)到300～400℃，使用液氮將花鍵套煮2 min，最后利用壓力機(jī)安裝花鍵套。

3）在內(nèi)花鍵套強(qiáng)度達(dá)到要求的基礎(chǔ)上，選擇合理的V形預(yù)制坡口。運(yùn)用多層多道焊接工藝進(jìn)行坡口處的處理，在對(duì)端面和焊口進(jìn)行焊接時(shí)，確保焊面低于軸的表面，最大限度降低變形，以保證焊接質(zhì)量達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

4）使用車(chē)床將焊接端口車(chē)平，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子恢復(fù)原狀。

5）為確保焊后尺寸不變，齒形不發(fā)生變形，鉗工需要進(jìn)行修齒作業(yè)，以保證齒槽軸與花鍵套相匹配，能夠順利裝入[4]。

3.3 空心軸強(qiáng)度校核

由于內(nèi)花鍵套的設(shè)計(jì)是以抗扭強(qiáng)度為依據(jù)，因此無(wú)需進(jìn)行校核；原轉(zhuǎn)軸以及軸肩在此前的工序中已經(jīng)完成強(qiáng)度校核，因此不必在此校核。在此我們只對(duì)焊口處的抗扭強(qiáng)度進(jìn)行校核。參照?qǐng)D2中標(biāo)注的內(nèi)花鍵尺寸，按照空心軸進(jìn)行校核，以40Cr調(diào)質(zhì)鋼作為轉(zhuǎn)軸材料。通過(guò)計(jì)算得出，空心軸的內(nèi)經(jīng)與外徑轉(zhuǎn)軸傳動(dòng)的最大扭矩3 871.6 N·m，許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為35 N/mm2，再次利用抗扭強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算得出：

經(jīng)過(guò)以上精密的計(jì)算可知，空心軸的強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和要求，焊口處的強(qiáng)度通過(guò)校核。

3.4 使用效果分析

購(gòu)買(mǎi)一個(gè)新轉(zhuǎn)子需要花費(fèi)25 000元，而對(duì)采煤機(jī)用YBC型電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)花鍵進(jìn)行修復(fù)僅需要2 800元，節(jié)省了大量經(jīng)濟(jì)投入。使用抗扭強(qiáng)度計(jì)算公式確定的內(nèi)花鍵套壁厚加大，齒面硬度也有所提高，可見(jiàn)整體性能得以?xún)?yōu)化，說(shuō)明設(shè)計(jì)出的內(nèi)花鍵套不但價(jià)格低廉，而且有極大的適用性。除此之外，修復(fù)一個(gè)內(nèi)花鍵套要比更換整個(gè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子節(jié)約大量時(shí)間，為煤礦企業(yè)爭(zhēng)取更多的生產(chǎn)時(shí)間，有助于企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升。目前為止，已利用該技術(shù)對(duì)25臺(tái)采煤機(jī)電動(dòng)轉(zhuǎn)子內(nèi)花鍵進(jìn)行了修復(fù)，均正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)科學(xué)分析和嚴(yán)密計(jì)算，我們研究出了一套經(jīng)濟(jì)適用的YBC型電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)花鍵修復(fù)技術(shù)，此工藝無(wú)需進(jìn)行轉(zhuǎn)子的更換，只需對(duì)破損的內(nèi)花鍵進(jìn)行修復(fù)，即可使其恢復(fù)正常運(yùn)行，成效顯著。該技術(shù)的研究不但為煤礦企業(yè)節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本，縮短了修復(fù)周期，便于其創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)為修復(fù)類(lèi)似電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)花鍵積累了成功經(jīng)驗(yàn)，具有很強(qiáng)的借鑒意義。

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