WK-4電鏟主動輪軸改進分析

杜天容 ，王軍生 ，劉向國 ，蘇偉強 ，李洪冰

（1.鞍鋼未來鋼鐵研究院有限公司，遼寧 鞍山114004；2.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山 114021；3.鞍鋼集團礦業公司齊大山鐵礦，遼寧 鞍山 114043）

鞍鋼集團礦業公司齊大山鐵礦 （以下簡稱齊礦）現有6臺WK-4型電鏟直接應用于生產，年消耗主動輪軸為20～25根，每根價格為9 500元。按年消耗主動輪軸24根計算，費用為22.8萬元。主動輪軸壽命短，更換頻率高，不僅會造成備件費用消耗高，而且更換主動輪軸還會影響生產的順利進行。從現場損壞形式看，主動輪軸的損壞多發生在花鍵聯接部位。鑒于此種現象，有必要對主動輪軸的花鍵部位進行改造。

1 主動輪軸花鍵主要損壞形式及原因分析

齊礦目前所用的WK-4電鏟主動輪軸與主動輪之間的聯接均為矩形花鍵聯接。由于聯接中按小徑（d）定心，花鍵齒的側面受力不均，在承受重載的情況下，某些局部受力大的齒會先斷裂，其余齒也相繼損壞，從而使整根軸的總體強度降低，造成整根軸的功能失效。現場主動輪軸齒根斷裂情況如圖1所示。結合現場實際情況可以得出，主動輪軸花鍵部位有兩種損壞形式，一是磨損，二是花鍵齒的齒根斷裂，且后者較多。花鍵齒的齒根斷裂明顯是由于承載能力不足所造成的。

圖1 現場主動輪軸齒根斷裂情況

2 主動輪軸花鍵改造

目前，國內外礦山采掘設備普遍采用漸開線花鍵聯接形式，且經過實踐證明，漸開線花鍵的壽命高，一般因磨損報廢，很少發生鍵齒斷裂。因此，考慮將主動輪軸花鍵聯接部位由原有的矩形花鍵改造為漸開線花鍵。

2.1 漸開線花鍵的優點

與矩形花鍵相比，漸開線花鍵有如下的優點：

（1）由于漸開線花鍵的齒廓為漸開線，齒根較厚，齒根圓角較大，應力集中較小，對軸的強度削弱程度小，且齒數較多，相應的承載面積大，因此壽命長。

（2）漸開線花鍵在聯接中按齒形定心，具有自動定心的作用，使其受力均勻，使用壽命延長。

（3）可利用加工齒輪的各種加工方法加工漸開線花鍵，加工工藝性較好，靠公司內部加工單位就可完成，不需要外加工。

2.2 改進過程中應遵循的基本原則

（1）只改造花鍵聯接部位，軸、輪和其它相關的結構形式、技術要求均維持原設計，保持不變，防止改造一件而其它件隨之改變的現象發生，保證設備備件的互換性。

（2）漸開線花鍵的設計應在盡量保持花鍵尺寸和長度不變的前提下，優先選用國家推薦的漸開線花鍵模數和尺寸系列。

2.3 改造設計中的幾點參考

（1）漸開線花鍵采用分度圓上壓力角30°，定心方式按齒形定心，充分發揮漸開線花鍵的優勢。

（2）公差和配合：齒側的配合精度按H/h類別，公差等級選為7～8級，粗糙度為6.3和12.5。由于WK-4電鏟是礦山重型采掘設備，在滿足生產要求的情況下，選擇較低精度，可降低成本。

3 兩種花鍵擠壓強度的對比計算

按照花鍵聯接的失效形式，分別對矩形花鍵和漸開線花鍵進行擠壓強度計算［1］。花鍵聯接齒形如圖2所示。

圖2 花鍵聯接計算

現用的WK-4電鏟各項運行參數如表1所示。

表1 WK-4電鏟各項運行參數

假設壓力在齒側面均勻分布，各齒壓力的合力作用在平均半徑處，則齒面上的擠壓強度為：

式中，σp為擠壓強度，MPa;T為轉矩，N·mm；i為速比；ψ為各齒間載荷分配不均勻系數，一般取0.7～0.8，此處取為0.75；z為花鍵的齒數；h為花鍵齒側面的工作高度，mm；L為花鍵齒的工作長度，mm；rm為花鍵的平均半徑，mm。

式中，P為電機功率，kW；n為轉速，r/min。計算得

3.1 矩形花鍵擠壓強度

矩形花鍵z=10，rm=其中，D為花鍵軸外徑，230 mm；d為花鍵軸內徑，207 mm；C為倒角尺寸，3 mm。

3.2 漸開線花鍵擠壓強度

為了保證設備備件的互換性，選用漸開線花鍵模數（m）為5 mm，由此可算出漸開線花鍵的齒數

根據式（1）計算可得漸開線花鍵σp=

通過對兩種花鍵的擠壓強度的計算分析可以看出，在電鏟正常運行中，漸開花鍵所受的擠壓強度遠遠小于矩形花鍵，改造后的主動輪軸的壽命將大大延長。

4 應用效果分析

齊礦于2013年開始研究將WK-4電鏟主動輪軸的花鍵聯接部位由原來的矩形花鍵改造為漸開線花鍵的聯接形式，并在413#電鏟上實施。改造前后WK-4電鏟主動輪軸使用情況如表2所示。由表2可以看出，改造后，年消耗主動輪軸數量減少，主動輪軸使用壽命延長，備件費用降低，節約了電鏟檢修時間。之后陸續在其它WK-4電鏟上推行，效果良好。

表2 改造前后WK-4電鏟主動輪軸使用情況

5 結論

對鞍鋼齊大山鐵礦WK-4電鏟主動輪軸損壞形式進行分析，得出軸的損壞均發生在花鍵聯接部位，主動輪軸花鍵齒承載能力不足、齒根斷裂是損壞的主要原因，提出用漸開線花鍵代替矩形花鍵。通過對兩種形式花鍵的擠壓強度進行計算和對比，得出在轉矩和軸外徑都相同的情況下，漸開線花鍵承受載荷的能力要遠遠大于矩形花鍵，能夠延長主動輪軸的使用壽命，從理論上說明了用漸開線花鍵代替矩形花鍵的必要性和可行性。對WK-4電鏟主動輪軸實施改造后，年消耗主動輪軸數量由24根降低至12根，平均使用壽命延長6～9個月，減少備件費用11.4萬元/年，同時節約了電鏟檢修時間，值得推廣和借鑒。