張全平

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)，山西 介休 032000）

某礦副井天輪失效分析

張全平

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)，山西 介休 032000）

從提升機與天輪的布置形式、載荷、結(jié)構(gòu)等方面，分析了某礦φ4 m大型天輪早期失效機運轉(zhuǎn)噪聲較大的原因。

天輪失效；偏載；軸向力；軸承

1 副井提升系統(tǒng)概況及天輪使用情況

1.1 副井提升系統(tǒng)概況

某煤礦副井采用立井開拓方式，井筒直徑8.0 m，裝備兩套提升容器，一套為1.5 t礦車雙層四車寬罐配平衡錘系統(tǒng)；另一套為1.5 t礦車雙層四車窄罐配特制高罐系統(tǒng)。除提升矸石、升降人員和物料外，寬罐還擔(dān)負(fù)升降整體大型設(shè)備的任務(wù)。寬、窄罐在提升矸石及下放物料時為雙層四車配載，井口、井底采用沉罐方式裝罐，高罐下放長材時其對側(cè)窄罐應(yīng)配四輛空車或兩輛重車。井口、井底設(shè)人員上下平臺，兩層同時進(jìn)出罐。

采用落地式摩擦提升系統(tǒng)，兩套提升機布置在同一側(cè)，為避免干涉兩臺提升機在平面布置上提升機軸線相對于天輪軸線偏轉(zhuǎn)1°（見圖1的提升系統(tǒng)布置圖）。

圖1 提升系統(tǒng)布置圖

提升機為JKMD-4X4(Z)型落地式多繩摩擦輪提升機，主導(dǎo)輪直徑為φ4 m，提升鋼絲繩直徑為φ40 mm，天輪直徑為φ4 m。

1.2 副井天輪使用情況

該煤礦副井提升系統(tǒng)1996年5月正式投入使用。在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)提升系統(tǒng)運行時天輪噪聲較大，高于同類煤礦天輪運轉(zhuǎn)噪聲水平。2001年5月其中一套天輪發(fā)生故障，表現(xiàn)為一側(cè)軸承失效，滾子研磨變形并脫落、保持架完全損壞。經(jīng)檢查軸承座的密封沒有損壞，軸承座內(nèi)沒有侵入泥、水等雜質(zhì)。2003年6月又有一套天輪的固定端支座軸承損壞，檢查發(fā)現(xiàn)軸承外圈剝蝕，其中有長10 mm，寬5 mm，深2 mm的剝蝕坑。高罐天輪的輪轂連接螺栓斷裂過兩次，軸瓦磨損嚴(yán)重，有銅屑溢出。

天輪是提升系統(tǒng)內(nèi)的一個重要單元，按《煤炭安全規(guī)程》規(guī)定必須每天檢查，并作檢查記錄。天輪的安全可靠性對煤礦安全生產(chǎn)影響極大。大型模壓天輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本較高，使用壽命一般在20年以上，而此礦有的天輪僅使用7年就失效，應(yīng)認(rèn)真分析原因，積極采取改善措施。

2 副井天輪技術(shù)參數(shù)驗算及分析

2.1 技術(shù)參數(shù)驗算

在4個提升容器中，寬罐所受載荷最大，現(xiàn)以寬罐為例驗算天輪的受力。

2.1.1 天輪徑向力Fj

表1 主提升鋼絲繩終端張力（F繩）表

表2天輪徑向載荷（Fj）表

2.1.2 天輪軸向力FZ

由于提升機主導(dǎo)輪軸線相對于天輪軸線有1°夾角，運行中天輪受到軸向力作用。

式中：F繩：鋼絲繩終端載荷；

α：提升鋼絲繩與天輪中心線夾角，α=1°。

表3 天輪軸向力（FZ）表

2.1.3 提升機軸向力FZT

式中：F繩：鋼絲繩最大繩端載荷；

β：提升機主導(dǎo)輪中心線與提升鋼絲繩夾角，β=1°。

表4 提升機軸向力（FZT）表

2.1.4 輪體強度校核

2.1.4.1 受力分析

輻受力情況比較復(fù)雜。天輪在旋轉(zhuǎn)式每根輪輻都承受重復(fù)的交變載荷，當(dāng)運動到圍包角范圍內(nèi)受壓，在圍包角范圍以外大部分受拉。此外，輪輻在繩槽對稱平面還產(chǎn)生彎曲變形。按行業(yè)通用方法，將輪輻視為一根壓桿進(jìn)行穩(wěn)定校核，不考慮彎曲變形的影響，按照鋼絲繩破斷時位于鋼絲繩圍包范圍內(nèi)的輪輻所受的瞬時載荷（為最大值）進(jìn)行計算。

2.1.4.2 穩(wěn)定性校核

（1）輪輻基本參數(shù)

（2）計算載荷N：

取相鄰兩輪輻之間的的輪緣上的徑向壓力的合力N為計算載荷：

式中S0：絲破斷拉力總和，主提升鋼絲繩選用6×25TS（12/121）BR（9/3）FC/40ZAB6V×37S+FC，鋼絲破斷拉力總和為 1 215 kN。

11.25°：兩輪輻之間的夾角

（3）輪輻柔度λ

式中：μ：長度系數(shù)，模壓天輪輪輻按兩端鉸接計算，μ=1；

l：輪輻計算長度，l=1.45 m；

i：輪輻慣性半徑，i=5.34 mm。

（4）輪輻許可壓力 A〔σw〕

式中ф與P壓桿縱向彎曲時許用應(yīng)力折減系數(shù)，根據(jù)柔度λ查表ф=0.96；

l：輪輻計算長度，l=1.45 m；

i：輪輻慣性半徑，i=5.34 mm。

（5）計算結(jié)果

N

2.1.5 軸承壽命校核

（1）輪軸徑向負(fù)荷FZJ

式中α：提升機出繩仰角之半，α=35°/2=17.5°

Q：天輪自重，Q=246 kN

F繩：主提升鋼絲繩終端載荷，取平均值F繩=546 kN

（2）每個軸承徑向負(fù)荷Fr

（3）固定軸承徑向負(fù)荷Fa

（4）當(dāng)量動負(fù)荷Fa

（5）核算 Lh

按常規(guī)取Lh=13 000 h，則所需當(dāng)量動負(fù)荷C1為：

原天輪采用3113776雙列向心球面滾子軸承，C1=2380kN，則原天輪軸承壽命Lh=5 600 h。

可見，由于軸向力影響，原天輪軸承使用壽命遠(yuǎn)低于常規(guī)天輪的使用壽命（Lh=13 000 h）。

2.2 失效原因分析

天輪工作于低速重載、頻繁起動、反復(fù)變向、變速及制動的工作狀態(tài)，工況較惡劣，采用張力自平衡懸掛裝置后，在一個提升循環(huán)中，一組天輪之間的相對滑動比較頻繁，相對轉(zhuǎn)角比較大，最大可達(dá)180°，因此對軸瓦的潤滑要求較高。

2.2.1 軸承失效原因分析

由于天輪安裝條件較差，安裝精度難以保證，井架受力后難免有些變形，固很難保證兩側(cè)軸承的同心度，因此需選用調(diào)心軸承。此礦天輪采用GB286-64 3113776型雙列向心球面滾子軸承。雙列向心球面滾子軸承調(diào)心性好，但承受軸向負(fù)荷的能力較差。在天輪結(jié)構(gòu)設(shè)計時，為滿足軸的熱脹冷縮效應(yīng)，有一端軸承是可以軸向游動的。這樣，當(dāng)天輪受軸向力時，只能由固定側(cè)軸承的一排滾子承受，由于滾子受力不均勻邊緣應(yīng)力很大，會引起滾子和滾道的早期點蝕，繼而造成軸承過早失效。由前面計算可知，當(dāng)承受軸向力時，以平均繩端荷載計算，計算壽命為5 600 h，低于常規(guī)13 000 h，軸承疲勞壽命大大降低。

2.2.2 噪聲異常分析

天輪轉(zhuǎn)動時發(fā)出噪聲，經(jīng)分析有以下幾個原因：

（1）加工過程中，如果消除應(yīng)力不徹底，或者在組裝過程中產(chǎn)生了裝配應(yīng)力，在運轉(zhuǎn)時這種應(yīng)力會引起噪聲。

（2）軸瓦的固定裝置由于交變應(yīng)力作用后產(chǎn)生開焊，導(dǎo)致軸瓦與軸之間產(chǎn)生相互運動，這時也會引起噪聲。

（3）天輪輪輻受力情況比較復(fù)雜。天輪在運轉(zhuǎn)時每根輪輻都承受反復(fù)的交變載荷，當(dāng)運動到圍包角范圍內(nèi)時受壓，在圍保角范圍以外大部分受拉。當(dāng)天輪受軸向力時，輪輻在繩槽對稱平面還產(chǎn)生彎曲變形。由于制造難度和運輸方面的原因，輪緣制成對稱剖分式的，組裝使用螺栓連接。由于整體剛性較差，輪輻、輪緣在交變載荷的作用下產(chǎn)生應(yīng)力與應(yīng)變，發(fā)出噪聲。

2.2.3 軸瓦磨損分析

軸瓦正常運轉(zhuǎn)時，允許有一定的磨損量，由于安裝誤差，導(dǎo)致受力不均勻，或軸瓦松動、潤滑不充分或潤滑脂變質(zhì)時，則會產(chǎn)生嚴(yán)重磨損或燒瓦現(xiàn)象。

2.2.4 連接螺栓斷裂分析

若螺栓緊固力矩不夠，在受到徑向和軸向交變載荷作用下，可能發(fā)生松動。連接松動會產(chǎn)生較大的沖擊振動載荷，就會引起螺栓疲勞斷裂。

2.2.5 天輪結(jié)構(gòu)分析

限于當(dāng)時條件，對這種低速重載荷的設(shè)計和制造經(jīng)驗、手法都不是完全成熟，例如，軸瓦與輪轂采用單鍵連接，偏弱，導(dǎo)致輪轂上固定鍵的擋塊易開焊，從而產(chǎn)生松動，潤滑結(jié)構(gòu)也不是很合理。

5 結(jié)束語

綜上所述，由于布置原因?qū)е绿燧喪茌^大軸向力，加上天輪結(jié)構(gòu)上的不足，及安裝誤差和井架受力后產(chǎn)生變形導(dǎo)致受力不均勻是產(chǎn)生故障的原因。

The Analysis of Sheave Failure in an Auxiliary Shaft

Zhang Quanping

The article,from the arrangement form,load and structure aspects of elevator and sheave,analyzesφ4 m large-scale sheave machine's earlyfailure causingnoisyoperation in a mining.

sheave failure;partial load;axial force;bearing

TD652

A

1000-8136(2011)05-0014-03