多繩摩擦式天輪裝置軸瓦螺栓斷裂分析與處理方法

發布時間:2020-06-12    文章來源:礦山機械雜志    作者:

巴彥高勒煤礦現有主井 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,其天輪裝置規格為 φ5.5 m×4 m。近年來,隨著巴彥高勒煤礦產量的增加,提升設備使用頻率也隨之加大。天輪裝置作為整個提升系統的主要受力部件,準確掌握其運行狀況是設備維護的重點。軸瓦是天輪裝置的關鍵零件,其聯接螺栓的可靠性直接影響整個系統的正常運轉。在生產中,該礦天輪裝置曾出現游動輪軸瓦螺栓斷裂的問題,經過分析并采取合理措施,問題及時得到解決,設備恢復正常運行。

1 天輪裝置結構與存在問題

1.1 天輪裝置結構

多繩摩擦式提升機天輪裝置結構如圖1 所示,由天輪軸、固定輪、游動輪、軸瓦、軸承座、軸承、天輪襯墊和兩半卡箍等組成?,F在煤礦用的天輪裝置結構基本相同,其中 1個輪為固定輪,其他均為游動輪;固定輪與天輪軸采用平鍵連接,游動輪內孔裝有軸瓦,可使游動輪相對主軸靈活轉動,軸瓦與軸之間為 H 8/e 8 動配合,采用油脂潤滑,軸瓦與輪轂之間為小間隙配合。最外端游動輪靠安裝在天輪軸環形槽內的兩半卡箍軸向定位,卡箍厚度在裝配時進行磨配,以保證各游動輪之間間隙合適 (一般為 0.2~0.5 mm)。該結構的優點在于:當每根鋼絲繩的線速度不完全相同時,游動輪與軸之間可以自由地相對轉動,防止鋼絲繩與襯墊之間產生滑動摩擦,避免襯墊過度磨損,起到保護鋼絲繩的作用。

1.2 評估天輪運行狀態

在對天輪裝置進行巡檢時,首先應評估天輪的運行狀態。由于結構原因,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) 軸瓦內孔潤滑不良 此情況導致過度磨損,軸瓦與主軸之間間隙加大,游動輪會產生擺動,其輪轂與相鄰天輪輪轂之間會產生碰撞,發出較明顯的周期性響聲,同時輪緣處的偏擺與設計圖紙的要求相比也會加大。

(2) 軸瓦螺栓斷裂 由于游動輪之間間隙較小,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,造成軸瓦端面嚴重刮傷,使游動輪之間無法靈活轉動,即使充分加注潤滑油,軸瓦內孔還會嚴重磨損,造成異常損壞。

(3) 其他情況 如卡箍過厚造成游動輪之間過緊,相對轉動不靈活,固定輪平鍵松動,天輪輪輻槽鋼焊縫開裂,安裝尺寸偏差或井架基礎下沉等,都會造成異常響聲,使天輪處于非正常運行狀態。

針對上述第一條,應嚴格按照設備說明書要求,定期加潤滑油保證潤滑狀態,即可恢復正常。針對第三條,應采取減小卡箍尺寸,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基礎下沉情況予以補償調整,即可消除缺陷。針對巴彥高勒煤礦天輪出現的軸瓦聯接螺栓斷裂問題,具體原因分析和處理措施如下。

2 螺栓斷裂原因分析

天輪裝置正常運行時,承載著整個提升載荷,其受力如圖2 所示。主井 J kmD-5.5×4 PⅢ 提升機的最大靜張力為 1490 k N,與天輪相切的兩側鋼絲繩夾角約為 30°,由此計算作用在天輪裝置上的合力 F=2×1490×c o s 15°= 2878 kN,單個天輪上受力 NF/4=719.5 k N。作用在游動輪軸瓦上,使軸瓦承受較大比壓。

游動輪軸瓦的結構如圖3 所示,軸瓦端面采用圓周分布的 16個 8.8 級內六方螺栓固定在輪轂上。軸瓦為兩半結構,合縫處有 3 mm 縫隙。軸瓦內孔分布網格型油槽。理想狀態為軸瓦與輪轂通過軸瓦端面 16個螺栓可靠地把合在一起,軸瓦與主軸間充分潤滑,可以自由靈活轉動。

結合大型天輪裝置的受力情況和軸瓦的結構特點,總結出軸瓦螺栓斷裂與以下因素有關。

(1) 天輪承載力 N 軸瓦和主軸之間要產生轉動,會有滑動摩擦阻力。隨著天輪承載力加大,摩擦阻力也相應加大,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,如加大螺栓的規格、增加螺栓的數量、提高螺栓的等級等。

(2) 螺栓把緊程度 軸瓦螺栓把緊后,軸瓦與輪轂結合面之間產生摩擦力,此摩擦力應大于軸瓦和主軸間滑動摩擦阻力,才能保證軸瓦與輪轂的可靠把合。一旦螺栓未把緊,軸瓦會產生圓周方向“蠕動”趨勢,造成螺栓切向異常受力,并且隨著“蠕動”趨勢加大,螺栓受力加大,導致螺栓斷裂,有時還會造成螺栓松動退出,螺栓頭之間相互干涉導致其損壞,因此必須保證螺栓把緊。

(3) 軸瓦潤滑程度 當軸瓦潤滑不好時,其與天輪軸之間產生粘連,加大阻力,此時運動趨勢會轉移到軸瓦與輪轂之間,使得螺栓切向力加大,并且松動不能完全定位軸瓦,軸瓦圓周蠕動導致螺栓斷裂。應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) 軸瓦結合面結構 軸瓦結合面有 3 mm 的縫隙,造成了軸瓦圓周“蠕動”時,只有一半螺栓承受切向力,使螺栓受力狀況更惡劣。應考慮采用兩半無縫軸瓦,降低軸瓦圓周“蠕動”的趨勢。

(5) 天輪襯墊磨損程度 天輪襯墊磨損不一致,直徑出現差異,造成游動輪與主軸間轉動量加大。因此應及時對天輪襯墊進行修整,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 解決措施與實施步驟

3.1 解決措施

針對巴彥高勒煤礦多繩天輪出現的軸瓦連接螺栓斷裂問題,結合現場實際條件,經過充分討論,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 φ16 mm 圓柱銷孔并安裝定位銷,對軸瓦實施定位,利用圓柱銷承擔切向力,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,按要求力矩擰緊,防止螺栓松動;

(4) 嚴格按照說明書維護要求及時添加潤滑脂。

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,對于上述方案的實施較為困難。結合具體情況,更換步驟如下。

(1) 根據天輪的規格型號制作專用工裝過渡板,其結構及安裝示意如圖4 所示。準備磁力鉆 (軸向尺寸盡可能小),為后續的鉆鉸銷孔做準備。

(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,將游動天輪軸瓦的縫隙轉到水平位置,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,按照螺栓規格所規定的擰緊力矩擰緊。

(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 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,將游動天輪轉動 180°,重復上述 (3) 和 (4) 步驟,處理另一半軸瓦螺栓。

(6) 整個過程從距離固定輪最遠端的游動輪 (定義為 1 號) 開始,遵循從 1 號到 2 號至 3 號、從外側到內側、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,確認更換后輪緣的偏擺是否在允許范圍內。

上述處理是基于現場已有條件進行的。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,對其結構進行了幾項重要改進。

(1) 將軸瓦螺栓等級從 8.8 級提高到 12.9 級的同時,螺栓數量增加,進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構,取消軸瓦結合面 3 mm 的縫隙,半軸瓦沒有了“蠕動”空間,改善了螺栓的受力情況。

(3) 螺栓全部涂抹防松膠并實施力矩把緊,消除松動隱患。

(4) 每個半軸瓦增加一個定位塊,如圖6 所示。利用定位塊承擔軸瓦因“蠕動”趨勢而產生的切向力,進一步降低了螺栓的受力。定位塊采用“階梯鍵”結構,用 2個內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,對半軸瓦實施定位。較寬的工作面需要根據半軸瓦的安裝位置進行修配,以適應半軸瓦更換后的尺寸誤差。

采用新結構的天輪裝置已投入使用,運行正常。

4 結語

多繩摩擦式天輪裝置受力大、工作環境惡劣、維護困難,出現問題又不易處理,經常帶病工作使缺陷擴大。如果發現天輪裝置運行狀態異樣,建議及時進行檢查,出現螺栓斷裂及時處理。巴彥高勒煤礦利用上述方案對全部天輪裝置進行了整改,整改后運行效果良好,未出現軸瓦螺栓斷裂的現象。通過對該礦天輪問題的處理,總結了一套方法,成功地解決了此類問題。

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