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：2020-06-12    文章来源：矿山机械杂志    作者：

巴彦高勒煤矿现有主井 2 台、副井 1 台，共 3 台J kmD－5.5×4 PⅢ 大型多绳摩擦式提升机，其天轮装置规格为 φ5.5 m×4 m。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 H 8/e 8 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 0.2～0.5 mm)。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。

(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 J kmD－5.5×4 PⅢ 提升机的最大静张力为 1490 k N，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×c o s 15°= 2878 kN，单个天轮上受力 N＝F合/4＝719.5 k N。N 作用在游动轮轴瓦上，使轴瓦承受较大比压。

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 3 mm 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。

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 3 mm 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。

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 φ16 mm 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 70 m 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 φ16 mm 圆柱销孔，然后打入圆柱销，注意圆柱销端面低于轴瓦端面。

(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 3 mm 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。

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。