馬道頭煤礦提升機主軸斷裂修復研究

劉智超

（大同煤礦集團馬道頭煤業有限公司，山西 大同 037003）

大部分金屬礦、煤礦等井工開采的礦山通過礦井提升機運輸礦石、矸石、作業設備以及人員往返于地面與作業面，對井下作業過程中物料、人員進出起到至關重要的作用。垂直提升機技術成熟，具有安全性、可靠性等優點，同時使用費用較低，作為礦井的“咽喉設備”，保證設備正常運轉對礦井安全生產十分重要。主軸裝置是提升機的最主要配件，占提升機的絕大部分重量，為了避免主軸斷裂故障，必須準確且及時修復故障隱患。

大同煤礦集團馬道頭煤礦位于大同煤田西南部左云縣境內，設計年產量為10Mt，礦井主采煤層埋深約為400m，現主要開采工作面為8210工作面、8209工作面。馬道頭煤礦提升機由于長時間運轉，主軸、傳動軸出現斷裂現象，傳動軸輸出端上軸瓦磨損嚴重，影響了煤礦的正常生產，因此，需要對主軸斷裂問題進行分析，并采取修復措施。

1 提升機主軸裝置

提升機最主要的工作機構為主軸裝置，包含主軸、摩擦輪、制動盤、軸承、軸承座、軸承蓋、軸承梁、高強度螺栓組件、摩擦襯墊、固定塊、壓塊、夾板等零部件。多繩摩擦式提升機的主要承載機構也是主軸裝置，設備運轉過程中將電動機產生轉矩傳送至主軸，同時提升機為了提升鋼絲纜繩會相應產生動載荷和一些沖擊載荷，通過和主軸裝置中的摩擦輪聯接，并通過摩擦輪的兩側傳輸至主軸。為確保提升設備的安全、可靠運行，同時盡量增加提升速率和運載能力，需要加強主軸的強度以確保其能夠承載所受到轉矩、各類動載荷、沖擊載荷以及自身重力影響。因此，主軸裝置中的各構件中，主軸使用整體式鍛造，軸上的法蘭盤一體鍛造后經機加工成型；摩擦輪載荷要求低于主軸，因此在制造過程中為整體焊接成型，大型摩擦輪受加工因素影響，加工成半刨分式構件后通過高強螺栓和定位銷聯接成型；制動盤大部分也是直接焊接在摩擦輪輪殼處，大型提升設備的制動盤為對稱安裝的雙制動盤，同時大型制動盤為通過定位銷和高強螺栓聯接的半刨分式構件，該類制動需要的力矩通過大平面摩擦副傳遞實現；主軸裝置中軸承由傳統滑動軸承改為調心軸承，相對體積減小，同時其軸承中心可以通過微量轉動補償軸承由于受到彎曲、熱變形等因素造成的軸向作用，該類軸承壽命較長，維護量小。

2 主軸斷裂分析

根據主軸斷裂情況進行分析，如下：

（1）斷裂傳動軸的斷口出現在鍵槽位置，斷口顯現處顯示光滑區域和顆粒狀區域，根據特征判斷傳動軸斷裂主因為疲勞破壞。使用對焊方式進行簡單修復，設備運轉后第二天再次斷開，說明該類修復方式不能滿足傳動軸受到交變彎矩和扭矩以及沖擊作用。

（2）拆卸下的傳動軸輸出端上軸瓦磨損嚴重，同時軸瓦與傳動軸之間相對間距不均衡，傳動軸部分位置出現較大間隙，最大間隙約為3mm,說明設備運轉過程中軸的傳動并不平穩，受到較大沖擊作用。并且潤滑油注入量小，潤滑效果差，軸瓦對應軸頸處有明顯的溝痕，說明軸瓦在使用過程中效果不理想，材料選擇和使用都有不當之處。

（3）傳動軸等人字齒輪處沒有明顯磨損和破壞，雖然工作時齒輪會受到沖擊，人字齒輪齒線廓為斜線，同時螺旋角大，相應的重合度也較為合適，主軸傳動平穩，并且平衡兩斜齒輪的軸向力，提高承載能力，同時不會產生較大的噪音。

3 傳動軸斷裂修復工藝方案

根據上述分析，為了保證修復后提升設備能夠良好運轉，傳動軸等修復不僅需修復傳動軸，并且需要重選軸瓦，并且相應提高潤滑效率。同時加工過程中各加工階段進行尺寸控制應根據需要采用較為精密測量工具進行，如百分表、游標卡尺、千分尺。

3.1 傳動軸的斷軸修復

斷裂的傳動軸通過對焊直接焊接不能承受裝置運轉的轉矩，會再次斷裂。為了保證修復后的轉動軸具有足夠剛性和韌性，使用鍛造法對傳動軸對接端進行加工，并使用車床對傳動軸分成兩次進行加工，加工至合適的尺寸，再進行裝配。

具體操作過程如下：

（1）傳動軸鍛造處理。將傳動軸磨損較為嚴重的右半段換為鍛件，鍛件材料選取與傳動軸一致的材質，即中碳合金鋼40Cr，加工配件初始尺寸Φ120×288mm。將需要鍛造的胚料加熱1200℃進行鍛造加工，將材料熱鍛至Φ100×415mm，熱鍛階段結束。熱鍛后的配件進行調質熱處理，溫度調整到840℃時進行油淬，之后溫度調整到570℃回火處理。鍛造階段完成后加工的鍛造件的金屬內部組織改變，配件機械性能提高，洛氏硬度可以達到28～32HRC，同時表面粗糙度降低，機械加工性能相應提高。

（2）車床粗加工。為了確保傳動軸焊接后符合公差的要求, 應對斷裂的左右兩部分進行粗加工。加工車床選取C6140型，根據需要分別對傳動軸兩接口進行切削和鏜孔，加工過程中需要留出加工余量，右端水平方向預留1.5mm，車床加工后兩接口的軸孔應進行過渡式配合，為便于焊接，兩接口端加工成60°坡角。

（3）傳動軸焊接。焊接操作前使用定位塊支承將傳動軸固定至平臺，進行焊接前對軸預熱處理，溫度升高至150～250℃，避免焊接應力和不必要的變形，焊接部分溫度升至250～350℃，并恒溫3h。為了提高焊接質量，焊接采用V型坡口，多層焊接，在保證傳動軸焊接后應力分布能夠均勻的前提下，盡量減少焊接工作量和焊縫尺寸。

（4）傳動軸精加工。傳動軸的精加工的目的在于控制傳動軸的形位誤差，確保傳動軸具有良好的加工精度。焊接完成后的傳動軸應置于中心架后進行找正，通過百分表在頂尖孔處找正。

（5）軸與軸套的裝配。為了加強傳動軸強度，尤其焊接厚度斷裂傳動軸，采用過盈式配合，同時軸套長度調整為255mm，并且外徑保有1mm的加工余量。裝配采用熱壓裝配，取消軸處的鍵槽，改進后軸套部分受力更加均勻，相應傳動軸強度增加。最后對完成焊接及裝配的傳動軸進行進一步精細加工，由于軸徑出現的磨損，所以需要調整。同時軸套也需要進行相應加工和細磨。應按照傳動軸設計的表面粗糙度和公差進行精車和打磨。

3.2 傳動軸軸瓦的改進

傳動軸軸瓦的作用是承載軸頸壓力，穩定油膜，減少摩擦，使軸瓦表面和軸頸表面間保持一定速率的相對滑動。但是軸承與軸瓦直接接觸會摩擦并且彼此磨損，同時產生高溫影響潤滑油效果，并且燒壞軸瓦。為確保軸承間正常運轉，需保持軸承和軸瓦間等間隙，減少磨損，使軸瓦性能良好，改變原有潤滑方式，提高軸瓦加工精度。

（1）軸瓦間潤滑模式。最初軸承間潤滑方式為滴油潤滑，效率低，易磨損。改為連續性供油，使瓦座中始終能夠被潤滑，潤滑油伴隨油環的轉動帶動到軸頸頂面，軸與軸瓦間會形成足夠厚度的油膜，促使軸承正常工作。

（2）使用ZCuPb30作為軸瓦的材料，并且保證物料的均勻性。軸瓦分兩次進行加工，其上、下軸瓦尺寸分別為Φ69.5mm、Φ99mm，初加工應保有1mm的加工余量，后期通過車床粗加工后進行切割，上下軸瓦組合再使用車床進行精加工直至標準尺寸，適配后確保與主軸組合后能夠正常運轉。

4 結語

根據實際使用情況，通過采用熱鍛對斷軸加工后使用，改變對接端坡角，延長軸套長度，以及更換更為合適軸瓦，一方面保證修復后傳動軸的剛性要求，同時提高了傳動軸運轉的穩定性。經過2年的使用，該方法效果良好，具有很好的實用性、可靠性和可行性。