多繩摩擦式天輪裝置軸瓦螺栓斷裂分析與處理方法
發(fā)布時(shí)間：2020-06-12 文章來源：礦山機(jī)械雜志 作者：
巴彥高勒煤礦現(xiàn)有主井 2 臺、副井 1 臺，共 3 臺J kmD－5.5×4 PⅢ 大型多繩摩擦式提升機(jī)，其天輪裝置規(guī)格為 φ5.5 m×4 m。近年來，隨著巴彥高勒煤礦產(chǎn)量的增加，提升設(shè)備使用頻率也隨之加大。天輪裝置作為整個(gè)提升系統(tǒng)的主要受力部件，準(zhǔn)確掌握其運(yùn)行狀況是設(shè)備維護(hù)的重點(diǎn)。軸瓦是天輪裝置的關(guān)鍵零件，其聯(lián)接螺栓的可靠性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在生產(chǎn)中，該礦天輪裝置曾出現(xiàn)游動(dòng)輪軸瓦螺栓斷裂的問題，經(jīng)過分析并采取合理措施，問題及時(shí)得到解決，設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。
1 天輪裝置結(jié)構(gòu)與存在問題
1.1 天輪裝置結(jié)構(gòu)
多繩摩擦式提升機(jī)天輪裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由天輪軸、固定輪、游動(dòng)輪、軸瓦、軸承座、軸承、天輪襯墊和兩半卡箍等組成。現(xiàn)在煤礦用的天輪裝置結(jié)構(gòu)基本相同，其中 1個(gè)輪為固定輪，其他均為游動(dòng)輪；固定輪與天輪軸采用平鍵連接，游動(dòng)輪內(nèi)孔裝有軸瓦，可使游動(dòng)輪相對主軸靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，軸瓦與軸之間為 H 8/e 8 動(dòng)配合，采用油脂潤滑，軸瓦與輪轂之間為小間隙配合。最外端游動(dòng)輪靠安裝在天輪軸環(huán)形槽內(nèi)的兩半卡箍軸向定位，卡箍厚度在裝配時(shí)進(jìn)行磨配，以保證各游動(dòng)輪之間間隙合適 (一般為 0.2～0.5 mm)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：當(dāng)每根鋼絲繩的線速度不完全相同時(shí)，游動(dòng)輪與軸之間可以自由地相對轉(zhuǎn)動(dòng)，防止鋼絲繩與襯墊之間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，避免襯墊過度磨損，起到保護(hù)鋼絲繩的作用。
1.2 評估天輪運(yùn)行狀態(tài)
在對天輪裝置進(jìn)行巡檢時(shí)，首先應(yīng)評估天輪的運(yùn)行狀態(tài)。由于結(jié)構(gòu)原因，有些缺陷無法直接觀察，可以采用聽異響和測量輪緣偏擺等方法間接判斷，具體如下。
(1) 軸瓦內(nèi)孔潤滑不良 此情況導(dǎo)致過度磨損，軸瓦與主軸之間間隙加大，游動(dòng)輪會產(chǎn)生擺動(dòng)，其輪轂與相鄰天輪輪轂之間會產(chǎn)生碰撞，發(fā)出較明顯的周期性響聲，同時(shí)輪緣處的偏擺與設(shè)計(jì)圖紙的要求相比也會加大。
(2) 軸瓦螺栓斷裂 由于游動(dòng)輪之間間隙較小，斷裂螺栓殘留在封閉的空間里，因斷裂螺栓頭部高出軸瓦端面，與相鄰軸瓦會相互干涉，造成軸瓦端面嚴(yán)重刮傷，使游動(dòng)輪之間無法靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，即使充分加注潤滑油，軸瓦內(nèi)孔還會嚴(yán)重磨損，造成異常損壞。
(3) 其他情況 如卡箍過厚造成游動(dòng)輪之間過緊，相對轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，固定輪平鍵松動(dòng)，天輪輪輻槽鋼焊縫開裂，安裝尺寸偏差或井架基礎(chǔ)下沉等，都會造成異常響聲，使天輪處于非正常運(yùn)行狀態(tài)。
針對上述第一條，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)備說明書要求，定期加潤滑油保證潤滑狀態(tài)，即可恢復(fù)正常。針對第三條，應(yīng)采取減小卡箍尺寸，重新單配固定輪鍵，清理開裂焊縫并重新施焊，修正安裝尺寸偏差或根據(jù)基礎(chǔ)下沉情況予以補(bǔ)償調(diào)整，即可消除缺陷。針對巴彥高勒煤礦天輪出現(xiàn)的軸瓦聯(lián)接螺栓斷裂問題，具體原因分析和處理措施如下。
2 螺栓斷裂原因分析
天輪裝置正常運(yùn)行時(shí)，承載著整個(gè)提升載荷，其受力如圖2 所示。主井 J kmD－5.5×4 PⅢ 提升機(jī)的最大靜張力為 1490 k N，與天輪相切的兩側(cè)鋼絲繩夾角約為 30°，由此計(jì)算作用在天輪裝置上的合力 F合＝2×1490×c o s 15°= 2878 kN，單個(gè)天輪上受力 N＝F合/4＝719.5 k N。N 作用在游動(dòng)輪軸瓦上，使軸瓦承受較大比壓。
游動(dòng)輪軸瓦的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，軸瓦端面采用圓周分布的 16個(gè) 8.8 級內(nèi)六方螺栓固定在輪轂上。軸瓦為兩半結(jié)構(gòu)，合縫處有 3 mm 縫隙。軸瓦內(nèi)孔分布網(wǎng)格型油槽。理想狀態(tài)為軸瓦與輪轂通過軸瓦端面 16個(gè)螺栓可靠地把合在一起，軸瓦與主軸間充分潤滑，可以自由靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。
結(jié)合大型天輪裝置的受力情況和軸瓦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，總結(jié)出軸瓦螺栓斷裂與以下因素有關(guān)。
(1) 天輪承載力 N 軸瓦和主軸之間要產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，會有滑動(dòng)摩擦阻力。隨著天輪承載力加大，摩擦阻力也相應(yīng)加大，軸瓦與輪轂間連接螺栓的切線方向受力也會加大。因此大規(guī)格的天輪，必須考慮加大螺栓承受切向受力的能力，如加大螺栓的規(guī)格、增加螺栓的數(shù)量、提高螺栓的等級等。
(2) 螺栓把緊程度 軸瓦螺栓把緊后，軸瓦與輪轂結(jié)合面之間產(chǎn)生摩擦力，此摩擦力應(yīng)大于軸瓦和主軸間滑動(dòng)摩擦阻力，才能保證軸瓦與輪轂的可靠把合。一旦螺栓未把緊，軸瓦會產(chǎn)生圓周方向“蠕動(dòng)”趨勢，造成螺栓切向異常受力，并且隨著“蠕動(dòng)”趨勢加大，螺栓受力加大，導(dǎo)致螺栓斷裂，有時(shí)還會造成螺栓松動(dòng)退出，螺栓頭之間相互干涉導(dǎo)致其損壞，因此必須保證螺栓把緊。
(3) 軸瓦潤滑程度 當(dāng)軸瓦潤滑不好時(shí)，其與天輪軸之間產(chǎn)生粘連，加大阻力，此時(shí)運(yùn)動(dòng)趨勢會轉(zhuǎn)移到軸瓦與輪轂之間，使得螺栓切向力加大，并且松動(dòng)不能完全定位軸瓦，軸瓦圓周蠕動(dòng)導(dǎo)致螺栓斷裂。應(yīng)采用合理的潤滑油槽增加軸瓦儲油量，并且按照說明要求保證加油的頻次。
(4) 軸瓦結(jié)合面結(jié)構(gòu) 軸瓦結(jié)合面有 3 mm 的縫隙，造成了軸瓦圓周“蠕動(dòng)”時(shí)，只有一半螺栓承受切向力，使螺栓受力狀況更惡劣。應(yīng)考慮采用兩半無縫軸瓦，降低軸瓦圓周“蠕動(dòng)”的趨勢。
(5) 天輪襯墊磨損程度 天輪襯墊磨損不一致，直徑出現(xiàn)差異，造成游動(dòng)輪與主軸間轉(zhuǎn)動(dòng)量加大。因此應(yīng)及時(shí)對天輪襯墊進(jìn)行修整，保證直徑差異最小。
通過以上分析可知，處理軸瓦螺栓斷裂應(yīng)注意 3方面：① 提高螺栓承受切向力的能力；② 降低螺栓的切向受力；③ 提高螺栓的防松能力。
3 解決措施與實(shí)施步驟
3.1 解決措施
針對巴彥高勒煤礦多繩天輪出現(xiàn)的軸瓦連接螺栓斷裂問題，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件，經(jīng)過充分討論，解決措施如下：
(1) 更換全部螺栓，等級由 8.8 級提高到 12.9級，提高其承載能力；
(2) 每半軸瓦端面鉆鉸 2個(gè) φ16 mm 圓柱銷孔并安裝定位銷，對軸瓦實(shí)施定位，利用圓柱銷承擔(dān)切向力，以減小螺栓切向受力；
(3) 螺栓安裝前涂抹防松膠，并裝上彈簧墊，按要求力矩?cái)Q緊，防止螺栓松動(dòng)；
(4) 嚴(yán)格按照說明書維護(hù)要求及時(shí)添加潤滑脂。
3.2 更換步驟
天輪裝置安裝在約 70 m 高的井架上，且可操縱空間狹小，對于上述方案的實(shí)施較為困難。結(jié)合具體情況，更換步驟如下。
(1) 根據(jù)天輪的規(guī)格型號制作專用工裝過渡板，其結(jié)構(gòu)及安裝示意如圖4 所示。準(zhǔn)備磁力鉆 (軸向尺寸盡可能小)，為后續(xù)的鉆鉸銷孔做準(zhǔn)備。
(2) 容器可靠固定，拆掉天輪上的全部鋼絲繩，固定在井架上的合適位置。
(3) 更換全部螺栓，將游動(dòng)天輪軸瓦的縫隙轉(zhuǎn)到水平位置，拆掉上半軸瓦原有的 8.8 級螺栓，利用天輪自重最大限度消除軸瓦與輪轂之間的間隙，全部拆除上半軸瓦的螺栓，注意采用壓縮空氣和丙酮將螺栓孔內(nèi)油脂清除干凈，替換安裝上半軸瓦的 12.9 級螺栓，將螺栓涂抹防松膠，裝上彈簧墊，按照螺栓規(guī)格所規(guī)定的擰緊力矩?cái)Q緊。
(4) 鉆鉸上半軸瓦圓柱銷孔并安裝定位銷，如圖5 所示。利用軸瓦上原有的螺栓孔通過螺栓固定工裝過渡板，將磁力鉆吸附在工裝過渡板上，按照工裝過渡板的孔位，在半軸瓦端面鉆 2個(gè) φ16 mm 圓柱銷孔，然后打入圓柱銷，注意圓柱銷端面低于軸瓦端面。
(5) 拆除工裝過渡板，將游動(dòng)天輪轉(zhuǎn)動(dòng) 180°，重復(fù)上述 (3) 和 (4) 步驟，處理另一半軸瓦螺栓。
(6) 整個(gè)過程從距離固定輪最遠(yuǎn)端的游動(dòng)輪 (定義為 1 號) 開始，遵循從 1 號到 2 號至 3 號、從外側(cè)到內(nèi)側(cè)、從上半軸瓦到下半軸瓦的順序。
(7) 全部更換完成后，用百分表測量輪緣處的偏擺，確認(rèn)更換后輪緣的偏擺是否在允許范圍內(nèi)。
上述處理是基于現(xiàn)場已有條件進(jìn)行的。為了更好地解決螺栓斷裂問題，巴彥高勒煤礦還訂購了一組天輪裝置備件，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了幾項(xiàng)重要改進(jìn)。
(1) 將軸瓦螺栓等級從 8.8 級提高到 12.9 級的同時(shí)，螺栓數(shù)量增加，進(jìn)一步提高了螺栓承受切向力的能力。
(2) 軸瓦采用兩半無縫結(jié)構(gòu)，取消軸瓦結(jié)合面 3 mm 的縫隙，半軸瓦沒有了“蠕動(dòng)”空間，改善了螺栓的受力情況。
(3) 螺栓全部涂抹防松膠并實(shí)施力矩把緊，消除松動(dòng)隱患。
(4) 每個(gè)半軸瓦增加一個(gè)定位塊，如圖6 所示。利用定位塊承擔(dān)軸瓦因“蠕動(dòng)”趨勢而產(chǎn)生的切向力，進(jìn)一步降低了螺栓的受力。定位塊采用“階梯鍵”結(jié)構(gòu)，用 2個(gè)內(nèi)六方螺栓固定在輪轂上。較窄的工作面嵌入輪轂的鍵槽中，較寬的工作面與半軸瓦的方形缺口配合，對半軸瓦實(shí)施定位。較寬的工作面需要根據(jù)半軸瓦的安裝位置進(jìn)行修配，以適應(yīng)半軸瓦更換后的尺寸誤差。
采用新結(jié)構(gòu)的天輪裝置已投入使用，運(yùn)行正常。
4 結(jié)語
多繩摩擦式天輪裝置受力大、工作環(huán)境惡劣、維護(hù)困難，出現(xiàn)問題又不易處理，經(jīng)常帶病工作使缺陷擴(kuò)大。如果發(fā)現(xiàn)天輪裝置運(yùn)行狀態(tài)異樣，建議及時(shí)進(jìn)行檢查，出現(xiàn)螺栓斷裂及時(shí)處理。巴彥高勒煤礦利用上述方案對全部天輪裝置進(jìn)行了整改，整改后運(yùn)行效果良好，未出現(xiàn)軸瓦螺栓斷裂的現(xiàn)象。通過對該礦天輪問題的處理，總結(jié)了一套方法，成功地解決了此類問題。