趙曉剛

（云南小龍?zhí)兜V務(wù)局有限責(zé)任公司，云南 開遠(yuǎn) 661601）

云南小龍?zhí)兜V務(wù)局有限責(zé)任公司下轄2 個(gè)露天礦，其中布沼壩露天礦共有2 條帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，均采用半連續(xù)開采工藝。1 條用于剝離物料運(yùn)輸，向龍橋排土場(chǎng)排棄物料；另1 條用于煤炭輸送，向坑口電廠輸送煤炭。采煤系統(tǒng)采用DTⅡ型帶式輸送機(jī)，由破碎站和M305－1、M305、M304、M303 帶式輸送機(jī)組成，煤炭送入圓筒倉后，通過電廠帶式輸送機(jī)送至坑口電廠，完成煤炭的運(yùn)輸。近年來，隨著煤炭保供任務(wù)的加重，對(duì)整個(gè)采煤系統(tǒng)提出了更高的要求。2022 年4 月29 日，M305 帶式輸送機(jī)2＃減速機(jī)發(fā)生了高速軸斷裂故障，直接導(dǎo)致采煤系統(tǒng)減產(chǎn)25%，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

減速機(jī)高速軸斷裂故障屬于重大設(shè)備故障，因其具有突發(fā)性，往往會(huì)造成減速機(jī)損壞無法使用，進(jìn)而影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。從企業(yè)使用和維護(hù)的角度看，對(duì)減速機(jī)高速軸斷裂原因進(jìn)行分析，找出檢查維護(hù)的重點(diǎn)和措施，有利于提高設(shè)備的管理水平，對(duì)保障設(shè)備的正常運(yùn)行具有重要意義。

1 布沼壩露天礦M305 帶式輸送機(jī)

布沼壩露天礦M305 帶式輸送機(jī)采用雙機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)尾搭接M305－1 帶式輸送機(jī)，機(jī)頭搭接M304 帶式輸送機(jī)，屬于DTⅡ型固定式帶式輸送機(jī)。工程地點(diǎn)位于云南省開遠(yuǎn)市小龍?zhí)舵?zhèn)，屬于典型的溫帶干旱半干旱大陸性氣候，場(chǎng)地50 年超越概率10%地震動(dòng)峰值加速度為0.184g，對(duì)照地震基本烈度Ⅶ度。工作環(huán)境：露天、多灰、潮濕；物料種類：褐煤、松散密度0.75 t/m3、粒度≤φ300 mm。

M305 帶式輸送機(jī)采用鋼絲繩芯輸送帶，輸送帶規(guī)格ST3150，強(qiáng)度3 150 N/mm、帶寬1 400 mm、帶速3.15 m/s，傳動(dòng)滾筒直徑1 250 mm，設(shè)計(jì)輸送能力1 667 m/h。水平長(zhǎng)度750 m，地面高程為機(jī)頭1 097.900 m、機(jī)尾960.000 m，上升高度137.903 m，機(jī)道最大傾角14°。電動(dòng)機(jī)型號(hào)：YPT500－4，額定功率710 kW、額定電壓6 000 V、額定電流80.64 A、額定轉(zhuǎn)速1 495 r/min。減速機(jī)型號(hào)M3PSF120，速比31.34。制動(dòng)器型號(hào)YWZ5－710/301，額定力矩5 000～8 000 N·m。

2 減速機(jī)高速軸斷裂原因

減速機(jī)高速軸斷裂有多方面的原因，制造、選型計(jì)算、安裝、檢查維護(hù)等方面的問題都有可能導(dǎo)致高速軸斷裂。分析布沼壩露天礦M305 帶式輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)減速機(jī)高速軸斷裂的原因，通過查閱設(shè)備運(yùn)行記錄、檢修記錄，找出減速機(jī)高速軸斷裂的主要原因。通過檢查減速機(jī)高速軸斷面情況，對(duì)比典型的疲勞斷裂斷口，得出該輸入軸屬于典型的金屬疲勞斷裂。金屬疲勞斷裂：材料承受交變循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變時(shí)，引起的局部結(jié)構(gòu)變化和內(nèi)部缺陷的不斷發(fā)展，使材料的力學(xué)性能下降，最終導(dǎo)致產(chǎn)品或材料的完全斷裂。引起疲勞斷裂的應(yīng)力一般很低，疲勞斷裂的發(fā)生，往往具有突發(fā)性、高度局部性及對(duì)各種缺陷的敏感性等特點(diǎn)[1]。

2.1 運(yùn)行電流

M305 帶式輸送機(jī)采用變頻器啟動(dòng)，基于變頻器調(diào)速控制的特點(diǎn)，變頻啟動(dòng)時(shí)，對(duì)電網(wǎng)的影響較小，電機(jī)能實(shí)現(xiàn)平滑穩(wěn)定啟動(dòng)，對(duì)各機(jī)械部件沖擊較小。查閱設(shè)備的運(yùn)行記錄，從運(yùn)行電流上分析，若存在異常、過載電流，則說明驅(qū)動(dòng)裝置在運(yùn)行過程中存在不平衡或異常阻力等情況，應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

M305 帶式輸送機(jī)1＃和2＃變頻器采用主從控制模式，2＃電機(jī)電流大于1＃電機(jī)電流原因：2020 年8月18 日更換了1 臺(tái)新的2＃電機(jī)，由于新舊電機(jī)制作工藝及硅鋼片、定子繞線材料差異，導(dǎo)致轉(zhuǎn)差率不同，電機(jī)轉(zhuǎn)速存在差異造成。同時(shí)因使用的變頻器控制不具備調(diào)整雙機(jī)平衡的功能，導(dǎo)致2＃電機(jī)電流大于1＃電機(jī)。從新老電機(jī)繞組電阻值對(duì)比來看，未見異常。

通過分析4 月29 日的運(yùn)行數(shù)據(jù)，2＃減速機(jī)輸入軸斷裂后，1＃電機(jī)電流升高，超過電動(dòng)機(jī)額定電流80.64 A，但未達(dá)到過載保護(hù)的設(shè)定值，故沒有任何過載報(bào)警信息。斷軸后，聯(lián)軸器質(zhì)量懸挑于電機(jī)軸上，導(dǎo)致2＃電機(jī)后軸承的溫度迅速上升。經(jīng)維修人員檢查發(fā)現(xiàn)2＃減速機(jī)輸入軸已完全斷裂，無法繼續(xù)使用。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，在正常運(yùn)行時(shí)，2＃電機(jī)的電流高于1＃電機(jī)，但2 臺(tái)電機(jī)電流均在額定電流范圍內(nèi)，為額定電流的40%～70%。正常運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置負(fù)載正常，電機(jī)運(yùn)行電流上的差異，不是造成減速機(jī)高速軸斷裂的主要原因。

2.2 減速機(jī)制造選型

檢查減速機(jī)高速軸斷裂位置情況，疲勞源位于鍵槽位置，斷口具有疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和靜斷區(qū)。軸的斷裂初始部位正好位于鍵槽處，斷口特征為典型的金屬疲勞斷裂。從斷口特征上看，減速機(jī)高速軸斷裂位置，符合應(yīng)力集中的特點(diǎn)。應(yīng)力集中：零部件在形狀、尺寸急劇變化的局部位置出現(xiàn)應(yīng)力顯著增大的現(xiàn)象，如軸類零件的軸肩圓角、鍵槽、油孔和緊配合等部位，受力后均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中[2]。

查閱工程竣工資料，2 臺(tái)減速機(jī)為SEW 傳動(dòng)設(shè)備（天津）有限公司產(chǎn)品生產(chǎn)于2009 年，布沼壩露天礦M305 帶式輸送機(jī)于2010 年6 月竣工，已連續(xù)生產(chǎn)了12 年。同期投入使用的其他帶式輸送機(jī)，使用的減速機(jī)均為SEW 公司產(chǎn)品，屬于批量定制產(chǎn)品，其余減速機(jī)未見異常。

減速機(jī)輸入軸直徑100 mm 小于電機(jī)輸出軸直徑130 mm，電機(jī)側(cè)安裝長(zhǎng)度250 mm，減速機(jī)側(cè)安裝長(zhǎng)度190 mm，造成兩者抗彎截面模數(shù)不同。斷裂部位處于聯(lián)軸器同軸過盈配合的邊緣處，過盈配合也會(huì)影響軸的強(qiáng)度。軸斷裂部位正好是聯(lián)軸器同軸過盈配合的邊緣處，過盈配合對(duì)軸的強(qiáng)度影響很大。高速軸常用的過盈配合H7／m6 的應(yīng)力集中系數(shù)不會(huì)小于1.8。因而高速軸就容易在聯(lián)軸器與軸過盈配合邊緣處斷裂[3-4]。

減速機(jī)高速軸斷裂的位置符合金屬疲勞斷裂的特征，但減速機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)已進(jìn)行了降低應(yīng)力集中的處理。減速機(jī)與電機(jī)軸直徑匹配因減速機(jī)與電機(jī)廠家設(shè)計(jì)不同，此問題一直存在于帶式輸送機(jī)設(shè)備安裝中，不能作為直接原因分析。

2.3 減速機(jī)對(duì)中精度

減速機(jī)對(duì)中精度直接決定了設(shè)備是否符合安裝要求，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行及穩(wěn)定起到了關(guān)鍵作用。減速機(jī)高速軸通過聯(lián)軸器與電機(jī)直接連接，轉(zhuǎn)速較高一般為1 000～3 000 r/min，高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的不平衡，會(huì)導(dǎo)致減速機(jī)高速軸或電機(jī)輸出軸的損壞。查閱SEW系列工業(yè)減速機(jī)操作維護(hù)手冊(cè)，對(duì)彈性聯(lián)軸器安裝精度要求較高。根據(jù)聯(lián)軸器型號(hào)：TL7100.1（YA130×250/JA100×190），查閱機(jī)械手冊(cè)，允許的安裝誤差：徑向△y 為0.15 mm，角向△α 為30′。

查閱M305 帶式輸送機(jī)維修記錄，2020 年8 月18 日更換了2＃新電機(jī)，因位置限制及驅(qū)動(dòng)滾筒未斷開，采用了傳統(tǒng)的塞尺法安裝，最大角偏差0.2 mm，最大軸線偏差0.2 mm，誤差超過了允許值。

受基礎(chǔ)水平、對(duì)中精度等影響，設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行后，對(duì)中精度下降，聯(lián)軸器產(chǎn)生附加徑向力，會(huì)影響軸的強(qiáng)度。結(jié)合剝離系統(tǒng)帶式輸送機(jī)減速機(jī)損壞情況分析，對(duì)中精度下降會(huì)造成減速機(jī)輸入軸軸承處，減速機(jī)箱體會(huì)有異常磨損等情況，對(duì)中精度下降是造成減速機(jī)高速軸斷裂的1 個(gè)原因[5]。

2.4 聯(lián)軸器及制動(dòng)器

2.4.1 聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩計(jì)算

聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩計(jì)算是聯(lián)軸器選型的重要依據(jù)，聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩Tc為：

式中：Pw為驅(qū)動(dòng)功率，kW；n 為工作轉(zhuǎn)速，r/min；Kw為動(dòng)力機(jī)系數(shù)；K 為工況系數(shù)；Kz為啟動(dòng)系數(shù)；Kt為溫度系數(shù)；Tn為公稱轉(zhuǎn)矩，N·m。

根據(jù)帶式輸送機(jī)的技術(shù)參數(shù)及工況，取Pw＝710 kW、n＝1 495 r/min、Kw＝1.0、K＝1.0、Kz＝1.0、Kt＝1.0，代入式（1），得到Tc=4 535.45≤Tn。

2.4.2 制動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩計(jì)算

1）主要阻力。輸送機(jī)的主要阻力FH是物料及輸送帶移動(dòng)和承載分支及回程分支托輥旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生阻力的總和，通過計(jì)算得FH＝42 816 N。

式中：f 為模擬摩擦系數(shù)，取0.025；L 為輸送機(jī)長(zhǎng)度（頭尾滾筒中心距），750 m；g 為重力加速度，10 m/s2；δ為輸送機(jī)傾角，14°；qRO為承載分支托輥組每米長(zhǎng)度旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量；qRU為回程分支托輥組每米長(zhǎng)度旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量；qB為每米長(zhǎng)度輸送帶質(zhì)量，取42 kg/m；qG為每米長(zhǎng)度輸送物料質(zhì)量。

式中：G1為承載分支每組托輥質(zhì)量，取34.92 kg；α0為承載分支托輥間距，取1.2 m。

式中：G2為回程分支每組托輥旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量，取32.54 kg；αU為回程分支托輥間距，取3 m。

2）傾斜阻力Fst。計(jì)算得Fst=152 010 N。

式中：H 為輸送機(jī)受料點(diǎn)與卸料點(diǎn)間的高差，取137.903 m。

3）制動(dòng)力的計(jì)算。上行帶式輸送機(jī)設(shè)置制動(dòng)器，為安全起見，傳動(dòng)滾筒所需的最大制動(dòng)力FBmax應(yīng)按最不利的制動(dòng)工況計(jì)算：

4）制動(dòng)力矩的計(jì)算。采用液力制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力矩Mz按公式計(jì)算。

式中：Mz為制動(dòng)器的額定制動(dòng)力矩，N·m；r 為傳動(dòng)滾筒半徑，0.625 m；i 為制動(dòng)器的安裝軸到傳動(dòng)滾筒的傳動(dòng)比。

采用液力制動(dòng)器，因液力制動(dòng)器裝在減速機(jī)的高速軸上，i=31.34，得Mz=3 267 N·m。

選用的制動(dòng)器：電力液壓塊式制動(dòng)器YWZ5—710/301，制動(dòng)力矩：5 000～8 000 N·m；推動(dòng)器：電力液壓推動(dòng)器Ed301/6，額定推力3 000 N，行程60 mm。

M305 帶式輸送機(jī)聯(lián)軸器型號(hào)：TL7100.1（YA130×250/JA100×190），為帶制動(dòng)輪的柱銷聯(lián)軸器，制動(dòng)輪直徑710 mm，查閱機(jī)械手冊(cè)：公稱轉(zhuǎn)矩Tn=16 000 N·m，許用轉(zhuǎn)速np=1 000 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量30.48 kg·m2，總質(zhì)量641.13 kg。經(jīng)復(fù)核計(jì)算，選用TL6300.1 的帶制動(dòng)輪的柱銷聯(lián)軸器即可滿足要求。制動(dòng)輪安裝在減速機(jī)側(cè)，停機(jī)、緊急制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的制動(dòng)力矩，高速軸受到大扭矩制動(dòng)。高速旋轉(zhuǎn)中，若動(dòng)平衡不好，會(huì)產(chǎn)生離心力，增加軸附加應(yīng)力，也會(huì)影響軸的強(qiáng)度[6]。因此聯(lián)軸器及制動(dòng)器選型及制動(dòng)器質(zhì)量較大是造成減速機(jī)高速軸斷裂的一個(gè)原因。

綜上分析，引起減速機(jī)高速軸斷裂的原因是多方面的，減速機(jī)高速軸斷裂一般符合金屬疲勞斷裂的特征，在設(shè)備選型計(jì)算階段，進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和計(jì)算至關(guān)重要。從使用維護(hù)的角度看，減速機(jī)聯(lián)軸器的對(duì)中精度對(duì)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定影響很大，通過科學(xué)的方法提高對(duì)中精度并定期檢查，是保證減速機(jī)正常運(yùn)行的有效手段。

3 減速機(jī)使用及維護(hù)措施

帶式輸送機(jī)屬于連續(xù)生產(chǎn)工藝或半連續(xù)生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的每個(gè)部件對(duì)保證生產(chǎn)運(yùn)行都十分重要，做好設(shè)備前期選型計(jì)算的同時(shí)，后期的檢查維護(hù)也十分重要。結(jié)合帶式輸送機(jī)減速機(jī)損壞的情況及減速機(jī)使用和維護(hù)要求，可以從以下幾方面入手。

1）做好設(shè)備選型計(jì)算。帶式輸送機(jī)因運(yùn)行工況不同，一般以向上提升為主，由于帶式輸送機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的特性，當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，如輸送帶撕裂、跑遍、堵料等突發(fā)情況，要求帶式輸送機(jī)要在極短時(shí)間內(nèi)停機(jī)，往往會(huì)產(chǎn)生較大的制動(dòng)力矩，一般通過在減速機(jī)和電機(jī)中間加裝制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。制動(dòng)器一般安裝于減速機(jī)側(cè)，在設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)與廠家進(jìn)行溝通說明，做好強(qiáng)化設(shè)計(jì)；另一方面應(yīng)選用安裝精度高的聯(lián)軸器、在滿足制動(dòng)要求的同時(shí)盡量降低制動(dòng)器的質(zhì)量（如蛇形彈簧聯(lián)軸器等），減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2）提高減速機(jī)的對(duì)中精度。帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置底座一般為鋼結(jié)構(gòu)底座，通過地腳螺栓二次灌漿與地面或廠房固定。在建設(shè)過程中，應(yīng)對(duì)二次灌漿、底座找平進(jìn)行重點(diǎn)檢查驗(yàn)收，確保安裝基礎(chǔ)符合設(shè)計(jì)要求。減速機(jī)對(duì)中時(shí)應(yīng)選擇百分表法和激光對(duì)中法，地腳螺栓調(diào)整墊片選用標(biāo)準(zhǔn)的不銹鋼墊片或不易壓縮變形的材質(zhì)，對(duì)中時(shí)應(yīng)進(jìn)行多次測(cè)量調(diào)整，直至符合要求。同時(shí)做好對(duì)中數(shù)據(jù)的記錄，根據(jù)設(shè)備的使用情況，定期開展對(duì)中精度的檢查工作。

3）做好設(shè)備的檢查維護(hù)。設(shè)備的檢查維護(hù)是提高設(shè)備完好率和可動(dòng)率的重要手段。帶式輸送機(jī)的機(jī)械、電氣及控制等系統(tǒng)互相關(guān)聯(lián)，當(dāng)其中一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，往往會(huì)導(dǎo)致其他問題的發(fā)生。做好設(shè)備的檢查維護(hù)：①要規(guī)范日常操作檢查，對(duì)設(shè)備各項(xiàng)數(shù)據(jù)如實(shí)記錄存檔，做好設(shè)備性能、預(yù)防性測(cè)試，掌握設(shè)備的基本情況；②加強(qiáng)設(shè)備的聯(lián)合檢查，組織專業(yè)人員參加聯(lián)合檢查，通過定期檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題，做好預(yù)防性檢查維護(hù)工作[7]。

4）提高設(shè)備的智能化水平。隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，煤炭生產(chǎn)朝著大型化、智能化方向發(fā)展，智能化礦山建設(shè)首先要提高設(shè)備的智能化水平。減速機(jī)可以通過增加測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。帶式輸送機(jī)使用的減速機(jī)一般為定制產(chǎn)品，對(duì)于采用壓力潤(rùn)滑外置冷卻器的減速機(jī)，可以采集潤(rùn)滑油壓力和溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)采集各軸軸承的溫度及振動(dòng)值，將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常高溫、振動(dòng)的報(bào)警[8]。

4 結(jié)語

通過分析DTⅡ型帶式輸送機(jī)減速機(jī)高速軸斷裂的原因，可以得出設(shè)備管理屬于全生命周期的管理，前期的選型計(jì)算、建設(shè)安裝、檢查維護(hù)貫穿于設(shè)備管理的全過程。帶式輸送機(jī)減速機(jī)高速軸斷裂往往會(huì)造成帶式輸送機(jī)減產(chǎn)甚至直接停產(chǎn)，將嚴(yán)重影響企業(yè)的生產(chǎn)效益。提高減速機(jī)的選型計(jì)算的準(zhǔn)確性、安裝對(duì)中精度和檢查維護(hù)的有效性，可以有效預(yù)防減速機(jī)發(fā)生損壞，確保減速機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而保障企業(yè)的正常生產(chǎn)。