取料機(jī)斗輪軸斷裂分析與改進(jìn)

摘 要：針對(duì)綜合煤場(chǎng)QL350·51.5取料機(jī)在取料作業(yè)時(shí)出現(xiàn)的斗輪軸斷裂事故的原因進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)斗輪軸結(jié)構(gòu)的方法，改進(jìn)后的斗輪軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，改造成本低，值得借鑒。

關(guān)鍵詞：斗輪軸；變截面；應(yīng)力集中

斗輪取料機(jī)是現(xiàn)代化工業(yè)大宗散狀物料連續(xù)裝卸的高效設(shè)備，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于冶金、電力、港口等散料存儲(chǔ)料場(chǎng)的堆取作業(yè)，梅鋼綜合煤場(chǎng)配置三臺(tái)QL350·51.5取料機(jī)，承擔(dān)各種煤、焦碳等散料的取料作業(yè)，取料機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定直接影響到焦?fàn)t、高爐生產(chǎn)，該取料機(jī)投產(chǎn)以來(lái)，由于生產(chǎn)負(fù)荷較大，故障較高，連續(xù)出現(xiàn)斗輪軸斷裂事故，對(duì)生產(chǎn)造成了一定的影響，通過(guò)對(duì)斗輪軸斷裂原因進(jìn)行分析，并制定改進(jìn)措施。

1 斗輪取料機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及存在問(wèn)題

QL350·51.5取料機(jī)取料能力350t/h，回轉(zhuǎn)半徑51.5m。由斗輪機(jī)構(gòu)、前臂架、臂架帶式輸送機(jī)、上部結(jié)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、走行機(jī)構(gòu)、門(mén)座、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、司機(jī)室、防塵系統(tǒng)、拖車、電氣部份等主要部分組成。

取料作業(yè)時(shí)，斗輪轉(zhuǎn)動(dòng)，臂架繞回轉(zhuǎn)中心作往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，斗子將物料取送到臂架帶式輸送機(jī)上，然后通過(guò)安裝在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上和門(mén)座上的料斗卸到地面帶式輸送機(jī)膠帶上，前臂架每完成一次回轉(zhuǎn)動(dòng)作，主機(jī)前進(jìn)一個(gè)吃料深度。而后，前臂架反向回轉(zhuǎn)進(jìn)行下一次取料，取完一工藝料層后，機(jī)器返回到另一個(gè)工藝料層起點(diǎn)并將斗輪下降重復(fù)上述動(dòng)作進(jìn)行取料作業(yè)，通過(guò)整機(jī)系統(tǒng)的合作運(yùn)行和臂架的回轉(zhuǎn)、俯仰，從而使斗輪取盡儲(chǔ)料堆的物料。

斗輪機(jī)構(gòu)是斗輪取料機(jī)的關(guān)鍵部件，斗輪機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、液力偶合器、減速器、斗輪軸裝配、斗輪體、斗子、卸料板、圓弧擋料板等構(gòu)成。斗輪的動(dòng)力傳遞過(guò)程為：電機(jī)→液力耦合器→斗輪減速機(jī)→斗輪軸→斗輪體，而為了傳遞動(dòng)力，減速機(jī)與斗輪軸、斗輪軸與斗輪體通過(guò)花鍵連接驅(qū)動(dòng)，花鍵連接具有承載能力強(qiáng)，檢修維護(hù)方便的特點(diǎn)。

斗輪取料機(jī)自投產(chǎn)以來(lái)，隨著后道工序產(chǎn)能的提升，取料機(jī)的生產(chǎn)負(fù)荷不斷增加，為了提高取料生產(chǎn)效率，取料機(jī)長(zhǎng)期超負(fù)荷作業(yè)，取料機(jī)出現(xiàn)了斗輪軸斷軸事故，斷軸事故的發(fā)生，既造成設(shè)備維修成本的增加，又增加了事故檢修的難度，同時(shí)還影響大生產(chǎn)的組織順行。

2 斗輪軸斷裂原因分析

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況分析，斗輪軸加工未發(fā)現(xiàn)有缺陷，材料為40GrNiMo，熱處理工藝為調(diào)制處理，斷口位于靠斗輪側(cè)軸承安裝位置，軸承為調(diào)心滾子軸承305214，軸承倒角2.1mm軸肩直徑軸承為190mm，在軸徑170mm和190mm變徑處，變徑截面設(shè)計(jì)倒角半徑2mm。

斗輪電機(jī)長(zhǎng)期滿負(fù)荷工作，取料機(jī)斗輪軸在取料過(guò)程中受扭轉(zhuǎn)和彎曲作用，造成軸的疲勞斷裂。斗輪軸在扭轉(zhuǎn)疲勞和彎曲疲勞交變載荷長(zhǎng)期作用，在開(kāi)煤層作業(yè)時(shí)，由于開(kāi)層高度偏低或去底料過(guò)程中出現(xiàn)瞬間負(fù)荷偏大，產(chǎn)生過(guò)大載荷沖擊，加速了已經(jīng)存在裂紋缺陷的斗輪軸斷裂，在斗輪軸最薄弱處發(fā)生斷裂，斗輪軸變截面處為彎矩最大處，同時(shí)此截面為變徑處，倒角半徑過(guò)小，是應(yīng)力集中區(qū)域，造成軸的疲勞強(qiáng)度不足。為確定斗輪軸是否為過(guò)載失效，對(duì)斗輪軸變徑截面進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算。

電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率為37kW，斗輪軸轉(zhuǎn)速等于7.41r/min，斗輪中心直徑4600mm，作用在斗輪軸上的扭力矩T=9550P/n=47685Nm，斗輪受力為F=T/R=20.732kN。

斗輪軸的彎矩圖、扭矩圖如圖1，計(jì)算變徑截面的扭矩值、彎矩值分別為：

T=77585Nm

M=13040Nm

彎曲應(yīng)力副

σa=M/W=13040/0.482×106=27.05MPa

式中抗彎截面系數(shù)W=0.482×106mm3

彎矩獨(dú)立作用時(shí)的安全系數(shù)

Sσ=σ-1/（Kσ×σa/β×εσ+ψσ×σm/）=3.24

由于是對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力，平均應(yīng)力σm=0

式中40GrNiMo彎曲疲勞極限，σ-1=485MPa

彎曲有效應(yīng)力集中系數(shù)，Kσ=2.39

表面狀態(tài)系數(shù)β=0.8

尺寸系數(shù)εσ=0.54

扭切應(yīng)力副τa=τm=T/2Wp=24.73MPa

扭矩獨(dú)立作用時(shí)的安全系數(shù)

Sτ=τ-1/（Kτ×τa/β×ετ+ψτ×τm）=2.1

式中40GrNiMo扭切疲勞極限τ-1=280MPa

扭轉(zhuǎn)有效應(yīng)力集中系數(shù)Kτ=2.48

尺寸系數(shù)ετ=0.6

扭切的折算系數(shù)ψτ=0.21

截面Ⅰ的安全系數(shù)S=SσSτ/（Sσ2+Sτ2）1/2=1.76

許用安全系數(shù)[S]=1.8-2.5

從以上計(jì)算結(jié)果，斗輪軸截面Ⅰ的安全系數(shù)S<許用安全系數(shù)[S]，在取料機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，軸的疲勞強(qiáng)度不足，特別是在取底料過(guò)程中由于負(fù)載過(guò)大造成斗輪軸斷裂。

3 斗輪軸改進(jìn)措施及效果

針對(duì)斗輪軸疲勞強(qiáng)度不足，可以采用加大軸徑、改用較好的材料或改進(jìn)軸的結(jié)構(gòu)以降低應(yīng)力集中，提高軸的表面質(zhì)量等合理的措施提高軸的疲勞強(qiáng)度，由于斗輪軸的調(diào)心滾子軸承為305214，軸承倒角2.1mm為使軸承安裝定位，軸承軸肩倒角要小于軸承倒角，斗輪軸軸肩設(shè)計(jì)圓角半徑2mm，產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。實(shí)際工作中，人們采用加大圓角半徑，設(shè)置中間環(huán)的措施來(lái)保證軸承安裝定位，改進(jìn)后的斗輪軸圓角半徑8mm，則彎曲有效應(yīng)力集中系數(shù)由2.39降為Kσ=1.83和扭轉(zhuǎn)有效應(yīng)力集中系數(shù)由2.48降為Kτ=1.51，同樣的方法計(jì)算彎矩獨(dú)立作用時(shí)的安全系數(shù)

Sσ=σ-1/（Kσ×σa/β×εσ+ψσ×σm/）=4.5

扭矩獨(dú)立作用時(shí)的安全系數(shù)

Sτ=τ-1/（Kτ×τa/β×ετ+ψτ×τm）=3.85

則截面Ⅰ的安全系數(shù)S=SσSτ/（Sσ2+Sτ2）1/2=3.06

改進(jìn)后截面Ⅰ的安全系數(shù)大于許用安全系數(shù)[S]=1.8-2.5。

從以上驗(yàn)證校核得出，斗輪軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，軸的疲勞強(qiáng)度可以滿足使用要求，實(shí)際使用結(jié)果也是如此，改進(jìn)斗輪軸結(jié)構(gòu)后，取料機(jī)斗輪軸使用未出現(xiàn)過(guò)斷軸事故。解決了現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，又大大降低了改造成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)斗輪取料機(jī)在取料作業(yè)時(shí)出現(xiàn)的斗輪軸斷裂事故的原因進(jìn)行分析，提出了斗輪軸斷裂的主要原因是在軸變截面處圓角較小，存在應(yīng)力集中，并提出了改進(jìn)斗輪軸結(jié)構(gòu)的方法和措施，實(shí)際應(yīng)用中采用改進(jìn)后的斗輪軸結(jié)構(gòu)可靠，改造成本低，效果明顯。

實(shí)踐證明，對(duì)取料機(jī)斗輪軸的結(jié)構(gòu)改進(jìn)是可行的，值得借鑒與推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1992.