采煤機電機轉子內花鍵修復技術分析

楊海鵬

（大陽泉煤炭有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

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

引言

隨著科學技術的發展，煤礦企業采煤機電動機轉子負荷輸出端逐漸將由外花鍵改進為內花鍵，更便于設備的維護和修復，其特點是使用一根齒槽軸將電動機與采煤機組進行連接，當機組發生負荷過載或者出現悶車情況時，齒槽軸會在短時間內出現斷裂，此時僅需要更換一根齒槽軸即可完成修復，無需拆電機，但如果電動機內花鍵發生故障損壞，則必須拆下電機予以修復。過去內花鍵損壞時，通常會采取更換新轉子的方式解決，但這種方式不但費用高，需要25 000元左右，而且修復時間長，下面我們將進行YBC2-300型電動機轉子內花鍵修復技術的探討。

1 電動機轉子內花鍵結構分析

圖1為YBC2-300型電動機轉子的結構示意圖，從圖中我們可以看出，轉子內花鍵的軸向位置與負荷端端部的距離為323 mm，轉軸和內花鍵并不是獨立存在，而是一個整體，滾花和鍵烘裝將轉子轉軸和鐵芯連接起來，一旦內花鍵發生損壞無法繼續工作，則必須將整個轉子更換下來。由于修理廠一般都沒有專門的加工轉子的設備，使用其他設備進行轉子的加工又達不到工藝要求，此時只能通過電動機制造廠家更換新轉子來解決根本問題[1]。

圖1 YBC2-300型電動機轉子的結構示意圖（單位：mm）

2 電動機轉子內花鍵修復方案

2.1 修復方案一

使用擴孔車將花鍵損壞后將新的花鍵套更換上，最后在花鍵的外邊進行鑲套，以此確?；ㄦI套的軸向位置準確、固定。在采用方案一進行內花鍵修復時，我們發現過程中存在以下問題：一般情況下，電機內花鍵的軸向位置距離外端比較淺，因此內花鍵的車掉、更換和焊接相對比較容易。但本文中研究的YBC2-300型電機內花鍵的軸向深度高達323 mm，車掉難度比較大。即便將內花鍵車掉，精度也無法滿足要求，這是因為內花鍵軸向深度太大，使得同軸度、圓跳動的形位公差都無法達到相應要求。除此之外，完成花鍵套的更換后，機械的強度需要通過焊接來保障，若工件短，焊接過后工件不會發生較大的變形，軸向傾斜度也會比較小。但是YBC2-300型電機的花鍵套有323 mm長，進行端部焊接后，軸向中心線非常容易發生傾斜，且傾斜度一般都會超過允許范圍，無法保證性能[2]。

2.2 修復方案二

運用斷軸再接工藝進行內花鍵套的更換。即對轉子軸端部進行適當切割，以降低花鍵套的軸向深度，為內花鍵套的更換和焊接提供便利。同樣使用擴孔車將損壞的花鍵車掉，再將新的花鍵套與轉軸焊接起來，確保轉軸尺寸公差、形狀不發生變化。

通過加大焊接坡口尺寸，以及花鍵套外圓內側與車掉花鍵套后的轉軸內孔采用過盈配合的方式，保證焊接后電動機轉軸仍具備良好的機械強度。經過多次實踐獲取的經驗，以及對轉軸機械強度的校核，此修復方案能夠較好的完成采煤機電機轉子內花鍵的修復[3]。

3 斷軸擴孔過盈裝配大坡口焊接工藝技術研究

3.1 內花鍵套設計

以齒槽軸參數為依據，確定內花鍵套參數，如表1。

表1 內花鍵參數

為了使齒面具備較強的抗疲勞強度和韌性，將齒面硬度（HBW）調質為250～270；之后對中頻表面進行淬火處理，深度保持在4～6 mm，將洛氏硬度（HRC）由原來的 30～35 提高到 45～48，至此內花鍵的力學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。

由于電動機的轉子會承受較大的負荷和沖擊，容易發生彎曲和扭斷，因此我們依據抗扭強度公式（1）來進行花鍵套外徑的科學計算。

式中：d為花鍵套外徑，mm；T為軸所傳遞的扭矩，N·m；t為許用扭轉剪應力，選取最小值35N/mm2；?為空心軸內經d1與外徑d的比

式（1）中T的計算公式為：

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

將數據代入式（2）計算得T=1 935.8 N·m。

為保證電機具備較強的過載能力，應當按照最大轉矩進行強度校核：Tmax=2×T=2×1 935.8=3 871.6 N·m。

將數據代入式（1）計算出

就此我們將花鍵套的外徑設計為d=100 mm。

3.2 內花鍵套制造

根據以上計算出的數據，內花鍵套的設計為圖2。

根據上文中得出的內花鍵參數和尺寸，可依據以下工藝流程進行內花鍵的加工。

1）使用擴孔車將舊的花鍵車掉。由于內花鍵需要進行轉矩的傳遞，又必須保持牢固，因此，我們選用Φ100H7/t6過盈配合用于鑲嵌的內花鍵套，將孔擴大刀Φ1000+0.035，經過計算，內花鍵軸孔配合的最大過盈量為-0.113 mm，最小為-0.56 mm，這樣能夠達到一定的精度，滿足內花鍵設計要求，此外，內花鍵完成焊接后還要使其具備良好的機械強度以及轉軸的抗扭強度。

圖2 內花鍵套（單位：mm）

2）在對內花鍵套進行組裝之前，需要將電機轉子放入溫度為180℃的干燥室內4～6 h，之后使用氧氣加熱局部軸頭，使其溫度達到300～400℃，使用液氮將花鍵套煮2 min，最后利用壓力機安裝花鍵套。

3）在內花鍵套強度達到要求的基礎上，選擇合理的V形預制坡口。運用多層多道焊接工藝進行坡口處的處理，在對端面和焊口進行焊接時，確保焊面低于軸的表面，最大限度降低變形，以保證焊接質量達到相應標準。

4）使用車床將焊接端口車平，使電動機的轉子恢復原狀。

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

3.3 空心軸強度校核

由于內花鍵套的設計是以抗扭強度為依據，因此無需進行校核；原轉軸以及軸肩在此前的工序中已經完成強度校核，因此不必在此校核。在此我們只對焊口處的抗扭強度進行校核。參照圖2中標注的內花鍵尺寸，按照空心軸進行校核，以40Cr調質鋼作為轉軸材料。通過計算得出，空心軸的內經與外徑轉軸傳動的最大扭矩3 871.6 N·m，許用扭轉剪應力為35 N/mm2，再次利用抗扭強度公式進行計算得出：

經過以上精密的計算可知，空心軸的強度能夠滿足相應標準和要求，焊口處的強度通過校核。

3.4 使用效果分析

購買一個新轉子需要花費25 000元，而對采煤機用YBC型電動機轉子內花鍵進行修復僅需要2 800元，節省了大量經濟投入。使用抗扭強度計算公式確定的內花鍵套壁厚加大，齒面硬度也有所提高，可見整體性能得以優化，說明設計出的內花鍵套不但價格低廉，而且有極大的適用性。除此之外，修復一個內花鍵套要比更換整個電動機轉子節約大量時間，為煤礦企業爭取更多的生產時間，有助于企業經濟效益的提升。目前為止，已利用該技術對25臺采煤機電動轉子內花鍵進行了修復，均正常運行。

4 結語

經過科學分析和嚴密計算，我們研究出了一套經濟適用的YBC型電動機轉子內花鍵修復技術，此工藝無需進行轉子的更換，只需對破損的內花鍵進行修復，即可使其恢復正常運行，成效顯著。該技術的研究不但為煤礦企業節約了經濟成本，縮短了修復周期，便于其創造更大的經濟效益和社會效益，同時為修復類似電動機轉子的內花鍵積累了成功經驗，具有很強的借鑒意義。

參考文獻

[1]李煥娣.采煤機電機轉子內花鍵修復技術探討[J].同煤科技，2015（3）：21-23.

[2]杜軍.采煤機電動機轉子故障診斷分析[J].礦業裝備，2016（7）：60-61.

[3]李慶亮.采煤機太陽輪花鍵軸失效分析及改進措施[J].煤礦機械，2015，36（10）：229-231.

[4]高士鐵，朱濤，楊懷東.采煤機行走部花鍵軸強度計算及分析[J].煤礦機械，2011，32（11）：7-9.