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多绳摩擦式天轮装置轴瓦螺栓断裂分析与处理方法

发布时间:2020-07-03来源:点击:280

    原创李伟生,王勇矿山机械杂志6月8日

    巴彦高勒煤矿现有主井2台、副井1台,共3台JkmD-5.5×4PⅢ大型多绳摩擦式提升机,其天轮装置规格为φ5.5m×4m。近年来,随着巴彦高勒煤矿产量的增加,提升设备使用频率也随之加大。天轮装置作为整个提升系统的主要受力部件,准确掌握其运行状况是设备维护的重点。轴瓦是天轮装置的关键零件,其联接螺栓的可靠性直接影响整个系统的正常运转。在生产中,该矿天轮装置曾出现游动轮轴瓦螺栓断裂的问题,经过分析并采取合理措施,问题及时得到解决,设备恢复正常运行。

    1天轮装置结构与存在问题

    1.1天轮装置结构

    多绳摩擦式提升机天轮装置结构如图1所示,由天轮轴、固定轮、游动轮、轴瓦、轴承座、轴承、天轮衬垫和两半卡箍等组成。现在煤矿用的天轮装置结构基本相同,其中1个轮为固定轮,其他均为游动轮;固定轮与天轮轴采用平键连接,游动轮内孔装有轴瓦,可使游动轮相对主轴灵活转动,轴瓦与轴之间为H8/e8动配合,采用油脂润滑,轴瓦与轮毂之间为小间隙配合。最外端游动轮靠安装在天轮轴环形槽内的两半卡箍轴向定位,卡箍厚度在装配时进行磨配,以保证各游动轮之间间隙合适(一般为0.2~0.5mm)。该结构的优点在于:当每根钢丝绳的线速度不完全相同时,游动轮与轴之间可以自由地相对转动,防止钢丝绳与衬垫之间产生滑动摩擦,避免衬垫过度磨损,起到保护钢丝绳的作用。

    1.2评估天轮运行状态

    在对天轮装置进行巡检时,首先应评估天轮的运行状态。由于结构原因,有些缺陷无法直接观察,可以采用听异响和测量轮缘偏摆等方法间接判断,具体如下。

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  多绳摩擦式提升机天轮装置结构

    (1)轴瓦内孔润滑不良此情况导致过度磨损,轴瓦与主轴之间间隙加大,游动轮会产生摆动,其轮毂与相邻天轮轮毂之间会产生碰撞,发出较明显的周期性响声,同时轮缘处的偏摆与设计图纸的要求相比也会加大。

    (2)轴瓦螺栓断裂由于游动轮之间间隙较小,断裂螺栓残留在封闭的空间里,因断裂螺栓头部高出轴瓦端面,与相邻轴瓦会相互干涉,造成轴瓦端面严重刮伤,使游动轮之间无法灵活转动,即使充分加注润滑油,轴瓦内孔还会严重磨损,造成异常损坏。

    (3)其他情况如卡箍过厚造成游动轮之间过紧,相对转动不灵活,固定轮平键松动,天轮轮辐槽钢焊缝开裂,安装尺寸偏差或井架基础下沉等,都会造成异常响声,使天轮处于非正常运行状态。

    针对上述第一条,应严格按照设备说明书要求,定期加润滑油保证润滑状态,即可恢复正常。针对第三条,应采取减小卡箍尺寸,重新单配固定轮键,清理开裂焊缝并重新施焊,修正安装尺寸偏差或根据基础下沉情况予以补偿调整,即可消除缺陷。针对巴彦高勒煤矿天轮出现的轴瓦联接螺栓断裂问题,具体原因分析和处理措施如下。

    2螺栓断裂原因分析

    天轮装置正常运行时,承载着整个提升载荷,其受力如图2所示。主井JkmD-5.5×4PⅢ提升机的最大静张力为1490kN,与天轮相切的两侧钢丝绳夹角约为30°,由此计算作用在天轮装置上的合力F合=2×1490×cos15°=2878kN,单个天轮上受力N=F合/4=719.5kN。N作用在游动轮轴瓦上,使轴瓦承受较大比压。

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    天轮装置受力示意

    游动轮轴瓦的结构如图3所示,轴瓦端面采用圆周分布的16个8.8级内六方螺栓固定在轮毂上。轴瓦为两半结构,合缝处有3mm缝隙。轴瓦内孔分布网格型油槽。理想状态为轴瓦与轮毂通过轴瓦端面16个螺栓可靠地把合在一起,轴瓦与主轴间充分润滑,可以自由灵活转动。

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    游动轮轴瓦结构示意

    结合大型天轮装置的受力情况和轴瓦的结构特点,总结出轴瓦螺栓断裂与以下因素有关。

    (1)天轮承载力N轴瓦和主轴之间要产生转动,会有滑动摩擦阻力。随着天轮承载力加大,摩擦阻力也相应加大,轴瓦与轮毂间连接螺栓的切线方向受力也会加大。因此大规格的天轮,必须考虑加大螺栓承受切向受力的能力,如加大螺栓的规格、增加螺栓的数量、提高螺栓的等级等。

    (2)螺栓把紧程度轴瓦螺栓把紧后,轴瓦与轮毂结合面之间产生摩擦力,此摩擦力应大于轴瓦和主轴间滑动摩擦阻力,才能保证轴瓦与轮毂的可靠把合。一旦螺栓未把紧,轴瓦会产生圆周方向“蠕动”趋势,造成螺栓切向异常受力,并且随着“蠕动”趋势加大,螺栓受力加大,导致螺栓断裂,有时还会造成螺栓松动退出,螺栓头之间相互干涉导致其损坏,因此必须保证螺栓把紧。

    (3)轴瓦润滑程度当轴瓦润滑不好时,其与天轮轴之间产生粘连,加大阻力,此时运动趋势会转移到轴瓦与轮毂之间,使得螺栓切向力加大,并且松动不能完全定位轴瓦,轴瓦圆周蠕动导致螺栓断裂。应采用合理的润滑油槽增加轴瓦储油量,并且按照说明要求保证加油的频次。

    (4)轴瓦结合面结构轴瓦结合面有3mm的缝隙,造成了轴瓦圆周“蠕动”时,只有一半螺栓承受切向力,使螺栓受力状况更恶劣。应考虑采用两半无缝轴瓦,降低轴瓦圆周“蠕动”的趋势。

    (5)天轮衬垫磨损程度天轮衬垫磨损不一致,直径出现差异,造成游动轮与主轴间转动量加大。因此应及时对天轮衬垫进行修整,保证直径差异最小。中实洛阳机械工程科技有限公司采用进口材料生产的KP-09超高分子天轮衬块,其具有优异的耐磨性,良好的自润滑性,超高的拉伸强度,良好的耐腐蚀性、耐水性,在多种有机、无机介质中均能保持良好的稳定性,优异的耐低温性能,而且卫生无色无味。可根据用户要求制作不同形状、不同规格的产品,并可保持超高分子材料的优异性能。   

    通过以上分析可知,处理轴瓦螺栓断裂应注意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解决措施与实施步骤

    3.1解决措施

    针对巴彦高勒煤矿多绳天轮出现的轴瓦连接螺栓断裂问题,结合现场实际条件,经过充分讨论,解决措施如下:

    (1)更换全部螺栓,等级由8.8级提高到12.9级,提高其承载能力;

    (2)每半轴瓦端面钻铰2个φ16mm圆柱销孔并安装定位销,对轴瓦实施定位,利用圆柱销承担切向力,以减小螺栓切向受力;

    (3)螺栓安装前涂抹防松胶,并装上弹簧垫,按要求力矩拧紧,防止螺栓松动;

    (4)严格按照说明书维护要求及时添加润滑脂。

    3.2更换步骤

    天轮装置安装在约70m高的井架上,且可操纵空间狭小,对于上述方案的实施较为困难。结合具体情况,更换步骤如下。

    (1)根据天轮的规格型号制作专用工装过渡板,其结构及安装示意如图4所示。准备磁力钻(轴向尺寸尽可能小),为后续的钻铰销孔做准备。

    (2)容器可靠固定,拆掉天轮上的全部钢丝绳,固定在井架上的合适位置。

    (3)更换全部螺栓,将游动天轮轴瓦的缝隙转到水平位置,拆掉上半轴瓦原有的8.8级螺栓,利用天轮自重最大限度消除轴瓦与轮毂之间的间隙,全部拆除上半轴瓦的螺栓,注意采用压缩空气和丙酮将螺栓孔内油脂清除干净,替换安装上半轴瓦的12.9级螺栓,将螺栓涂抹防松胶,装上弹簧垫,按照螺栓规格所规定的拧紧力矩拧紧。

    (4)钻铰上半轴瓦圆柱销孔并安装定位销,如图5所示。利用轴瓦上原有的螺栓孔通过螺栓固定工装过渡板,将磁力钻吸附在工装过渡板上,按照工装过渡板的孔位,在半轴瓦端面钻2个φ16mm圆柱销孔,然后打入圆柱销,注意圆柱销端面低于轴瓦端面。

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过渡工装板结构及安装示意

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    钻铰圆柱销孔

    (5)拆除工装过渡板,将游动天轮转动180°,重复上述(3)和(4)步骤,处理另一半轴瓦螺栓。

    (6)整个过程从距离固定轮最远端的游动轮(定义为1号)开始,遵循从1号到2号至3号、从外侧到内侧、从上半轴瓦到下半轴瓦的顺序。

    (7)全部更换完成后,用百分表测量轮缘处的偏摆,确认更换后轮缘的偏摆是否在允许范围内。

    上述处理是基于现场已有条件进行的。为了更好地解决螺栓断裂问题,巴彦高勒煤矿还订购了一组天轮装置备件,对其结构进行了几项重要改进。

    (1)将轴瓦螺栓等级从8.8级提高到12.9级的同时,螺栓数量增加,进一步提高了螺栓承受切向力的能力。

    (2)轴瓦采用两半无缝结构,取消轴瓦结合面3mm的缝隙,半轴瓦没有了“蠕动”空间,改善了螺栓的受力情况。

    (3)螺栓全部涂抹防松胶并实施力矩把紧,消除松动隐患。

    (4)每个半轴瓦增加一个定位块,如图6所示。利用定位块承担轴瓦因“蠕动”趋势而产生的切向力,进一步降低了螺栓的受力。定位块采用“阶梯键”结构,用2个内六方螺栓固定在轮毂上。较窄的工作面嵌入轮毂的键槽中,较宽的工作面与半轴瓦的方形缺口配合,对半轴瓦实施定位。较宽的工作面需要根据半轴瓦的安装位置进行修配,以适应半轴瓦更换后的尺寸误差。

    采用新结构的天轮装置已投入使用,运行正常。

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   半轴瓦增加定位块

    4结语

    多绳摩擦式天轮装置受力大、工作环境恶劣、维护困难,出现问题又不易处理,经常带病工作使缺陷扩大。如果发现天轮装置运行状态异样,建议及时进行检查,出现螺栓断裂及时处理。巴彦高勒煤矿利用上述方案对全部天轮装置进行了整改,整改后运行效果良好,未出现轴瓦螺栓断裂的现象。通过对该矿天轮问题的处理,总结了一套方法,成功地解决了此类问题。

    

引文格式:

  [1]李伟生,王勇,薛洪波,张春海.多绳摩擦式天轮装置轴瓦螺栓断裂分析与处理方法.[J].矿山机械,2017,45(12):68-71.,如有不合适,请联系本网站进行删除。


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