采矿机截割电机轴承失效故障分析与优化方法_刘欢.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n采矿机截割电机轴承失效故障分析与优化方法刘 欢(三一重型装备有限公司,辽宁 沈阳 1 1 0 0 2 7)摘 要:某型号采矿机在铅锌矿掘进施工时发生截割电机失效故障,现场查看后判断后端轴承损坏。将故障电机返司拆解作进一步分析,从结构原理、装配关系、电机过载计算、箱体承载仿真、轴向力分析、轴承质量等方面依次阐述说明,力求还原真实情况。最后根据分析结果综合研判确定故障原因,针对性给出改进方向及建议,对策后效果得到实际应用验证,为行业相关从业者提供设计参考和借鉴。关键词:采矿机;截割电机;轴承失效;游隙;轴向力;改进方法 中图分类号:TH 1 3 3.3 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 4 9-0 3F a u l tA n a l y s i sa n dO p t i m i z a t i o nM e t h o df o rC u t t i n gM o t o rB e a r i n gF a i l u r eo fM i n i n gM a c h i n eL i uH u a n(S a n yH e a v yE q u i p m e n tC o.,L t d.,L i a o n i n gS h e n y a n g1 1 0 0 2 7)A b s t r a c t:Ac e r t a i n t y p eo fm i n i n gm a c h i n eh a dam o t o r f a i l u r ew h e nw o r k i n g i nl e a d-z i n cm i n e,a n dt h er e a re n db e a r i n gw a s j u d g e d t ob ed a m a g e da f t e r o n-s i t e i n s p e c t i o n.T h e f a u l t ym o t o r i s d i s a s s e m b l e d f o r f u r t h e r a n a l y s i s,a n d t h es t r u c t u r a l p r i n c i p l e,a s s e m b l y r e l a t i o n s h i p,m o t o r o v e r l o a d c a l c u l a t i o n,b o xb e a r i n g s i m u l a t i o n,a x i a l f o r c e a n a l y s i s,b e a r-i n gq u a l i t y a n do t h e r a s p e c t s a r e e x p l a i n e d i n t u r n,a n d s t r i v e t o r e s t o r e t h e r e a l s i t u a t i o n.F i n a l l y,a c c o r d i n g t o t h e a n a l y-s i s r e s u l t s,t h e c a u s eo f t h e f a u l t i sd e t e r m i n e dc o m p r e h e n s i v e l y,t h e i m p r o v e m e n t d i r e c t i o na n ds u g g e s t i o n s a r eg i v e n i na t a r g e t e dm a n n e r,a n dt h ee f f e c to f t h ec o u n t e r m e a s u r e s i sv e r i f i e db yp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n,p r o v i d i n gd e s i g nr e f e r e n c ea n dr e f e r e n c e f o r r e l e v a n t p r a c t i t i o n e r s i n t h e i n d u s t r y.K e yw o r d s:M i n i n gm a c h i n e;C u t t i n gm o t o r;B e a r i n gf a i l u r e;C l e a r a n c e;A x i a l f o r c e;I m p r o v e m e n tm e t h o d s作者简介:刘 欢(1 9 8 9),辽宁抚顺人,工程师,硕士,主要从事矿山装备的研究工作。0 前言近些年来,随着社会经济发展和国家产业调整,金属矿、化工矿等非煤矿山开采变得越发重要,每年有大量矿产资源被开发出来,作为基础材料,广泛用于航空航天、汽车和仪表等工业部门。矿产开采离不开专业设备,传统方式为爆破开采,随着技术的发展及环保的要求,机掘方式逐步替代了炮掘。采矿机是在传统煤炭掘进机基础上发展而来的,整体结构相似。由于非煤矿山的特殊性,对其破硬岩能力和稳定性提出了更高的要求。品质过硬、低故障、高寿命的采矿机是厂商和客户共同追求的目标。三一重装生产的S C R 3 1 8采矿机在某铅锌矿现场施工时发生了截割电机停转故障,工作失效。针对此情况,笔者尝试从多种角度分析,找出故障原因,恢复现场生产,同时为为后续设备改进升级提供思路。1 工况及故障概述图1 电机外观及损伤照片项目位于广东省韶关市某大型铅锌矿,施工巷道断面4.8m5.6m(宽高),平巷,以灰岩为主,部分地质层为黄铁矿、黄铁铅锌矿,岩石硬度f 8-f 1 0,围岩等级-。采矿机运行1 1 5小时截割电机首次产生异响,声音较模糊,施工运行时难分辨,未做处理,连续生产四个班以后,声音逐步加大,至1 3 6小时彻底停转失效。现场停机查看后发现,如图1所示,电机后小盖漆面存在龟裂现象,将后小盖拆下,可以看到轴承外圈断裂,保持架断裂脱落,轴承内圈外表面存在凹坑,初步判断电机失效原因为后端轴承损坏,失去承载能力。为确定轴承具体损坏原因,后续将电机返厂做进一步检测分析。2 电机结构图2 电机后端轴承结构94DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.08.0222 0 2 3年第8期截割电机为三相异步电动机,电机轴通过前后两个轴承实现定位,这里重点介绍后端轴承结构。如图2所示,采用单列深沟球轴承,轴承内圈通过轴肩定位,另一侧由圆螺母锁紧,轴承外圈通过轴承座和内小盖定位,轴承腔独立密闭,两侧由G R S油封和T R E油封实现动密封。此外,轴承座、后外盖及后小盖连接处也分别通过O型圈实现静密封。工作时,轴承内圈为旋转载荷(过盈配合),外圈为静止载荷(过渡配合)。3 故障件拆解电机外观基本完整,无明显损伤,逐步拆解并记录各零件情况如图3所示:电机定子绕组线圈前端出线端完好,后端非出线端内侧及机座内壁有油污混合物附着现象,电机定子铁芯表面后端有扫膛现象,电机转子铁芯表面有发热变色现象,转子铁芯表面后端有扫膛现象。电机后端轴承有研轴抱死现象,通过切割取下,轴承安装段研伤明显。轴承及后外盖内均无润滑脂,内小盖油封不见,骨架油封损坏,轴承损伤严重,保持架断裂脱落,内圈凹陷,外圈单侧磨损,圆螺母与内圈粘连等。图3 电机部分拆解照片4 故障分析损坏轴承为后端轴承,这里我们从内部和外部两方面来看,内部包括轴承装配工艺,轴承质量,轴承润滑及密封,外部主要为截割部装配工艺及电机异常载荷等。4.1 截割部装配如图4所示,截割部主要由截割电机、减速机、截割主轴、截割头及其他支撑组件组成。掘进施工时,截割电机输出的转矩通过减速机放大,再由截割主轴传递至截割头转动,从而实现破岩掘进功能。图4 采矿机截割部内部结构截割电机固定在电机箱体内部,前把合形式,箱体上有定位止口。电机输出轴与花键套配合,有定位销,理论上端面贴合;花键套另一端与减速机输入轴花键配合,端面 间 理 论 间 隙 为5 mm。电 机 轴 设 计 公 差1 2 0 m 6(+0.0 1 3+0.0 3 5),花 键 套 设 计 公 差1 2 0 H 7(0+0.0 3 5),两者为过渡配合。现场查看发现,花键套(减速机侧)端面无明显摩擦接触痕迹,但局部有轻微压痕。花键套(电机侧)端面距电机轴肩距离约为3 mm,通过查找出厂装配工艺卡及调取厂内监控得知,花键套与电机轴采用热套装方式,电磁加热。本机由于配合较紧,工人存在敲击行为,与上述压痕相互佐证,对比设计要求,确定花键套未安装到位。4.2 电机过载情况电机功率3 1 8 KW,减速机为二级行星减速机,速比4 6.5 3。电机通过减速机传递到末端的理论最大输出扭矩为9 4.9k Nm,截割头平均半径0.6m,计算得到平均半径处截割力为9 4.9/0.6=1 5 8.1 7k N。现场岩石硬度为f 8-f 1 0,我们按照最大f 1 0分析,即岩石单向抗压强度为1 0 0MP a,也就是说截齿所受反向压力为1 0 0 MP a,换算后约为1 0k N,截割头工作按照1/3截齿数接触,即4 5/3=1 5,计算得到理论所需合力为1 01 5=1 5 0k N。因截割最大输出扭矩1 5 8.1 7k N破岩理论所需合力1 5 0k N,故电机满足要求,从现场采集的实际电流数据也可佐证。截齿破岩是一个十分复杂的过程,受多种因素影响,如冲击功、截齿排布等,上述计算仅从用来初步验证电机是否过载,供参考。4.3 箱体承载仿真作为电机直接接触的部件,箱体是否存在变形及裂纹,即实际运行过程中是否超出其自身的承载能力也需要确定,根据理论计算并结合现场载荷谱数据,确定最终载荷:最大转矩M=9 4.9*1.2=1 1 3.8 8k Nm最大横扫力F y=2 1 2.5*1.5=3 1 8.7 5k N最大竖扫力F z=2 4 3.4*1.2=2 9 2.0 8k N我们知道,最大转矩、最大横扫力及最大竖扫力在同一时刻出现的概率极低,这里我们考虑更加极限的工况,动载系数做了适当的放大,并按三者同时出现在某一时刻进行有限元分析,以验证设备的安全性能。箱体分析结论如图5所示。图5 箱体应力及应变仿真分析结果最大应力为1 4 7.1 5M P a,位于前端板减速机止口及周边,这与实际受力位置吻合,箱体为组焊接结构,材料为Q 3 4 5 B,最大许用应力为3 4 5M P a,计算得到安全系数 2.3 4。最大变形量0.3 2mm,出现在前端板减速机止口中下部,变形量较小,满足设计要求,不会对电机造成实质影响。4.4 轴向力分析轴向力要分两部分看,一是初始装配过程中受到外力产生了瞬时轴向力,导致电机轴发生窜动,传导至后端轴05内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n承,4.1节论述已证明敲击存在;二是设备运行过程中持续受到动态轴向力,结合前述分析,花键套与电机及减速机均未直接接触,电机未过载,箱体承载能力也满足要求,由此判定设备运行过程中,花键套仅起到传递扭矩的作用,并没有动态轴向力的来源,不会对电机及轴承产生影响,故可排除。4.5 轴承装配故障轴承为6 3 2 8/C 3单列深沟球轴承:内径d=1 4 0mm,外径D=3 0 0mm。由于电机轴轴承安装段表面已灼伤,无法精确测量,给分析带来了一定的困扰。这里只能根据厂家提供的历史检验记录来寻找证据,记录显示轴承段外径实测尺寸为 1 4 0+0.0 8 3,我们知道,轴承内圈与轴采用基孔制配合,过盈配合选取的系列范围通常从k 5到p 6,逐步增大。即便按照最大过盈配合P 6尺寸公差(+0.0 4 3+0.0 6 8)来分析,此轴径尺寸仍然超差,判定不合格。4.6 轴承密封及润