孫曉軍，邵玉良，費曉芳，白金龍

(1.包鋼集團巴潤礦業(yè)有限責任公司， 內(nèi)蒙古包頭市 014080;2.包鋼集團白云鄂博鐵礦， 內(nèi)蒙古包頭市 014080)

0 引言

白云鄂博西礦是世界著名的白云鄂博礦床最大的礦體群，礦體呈向斜構(gòu)造，東西長約10 km，南北寬約2 km，初期勘探鐵礦石儲量數(shù)億噸，屬低磷、低氟、低稀土大型鐵礦床，礦體分布集中，適合大型露天開采［1-2］。

從生產(chǎn)性、可靠性、安全性、經(jīng)濟性、維修性、適用和耐用性、通用和成套性、環(huán)保性等方面綜合考慮研究［3］，最終采掘設(shè)備選定為 WK －10、WK －20、WK－27型電鏟。

WK－27型電鏟是巴潤公司2011年引進的大型采礦設(shè)備，由于其中央樞軸鎖緊鍵部分結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題，在設(shè)備運行過程中，多次造成設(shè)備故障，故障率極高，成為日常設(shè)備點檢重點關(guān)注的部位。點檢必須及時發(fā)現(xiàn)、處理。而且鎖緊鍵撕裂，翹起嚴重時，會損壞其上部安裝的價值數(shù)十萬的高低壓集電環(huán)。集電環(huán)錯位也會造成高低壓電路接地，發(fā)生觸電事故和設(shè)備事故，成為極大的安全隱患。

1 中央樞軸的受力分析

1.1 受力分析

電鏟在挖掘過程中，由于受力不均或鏟斗伸出過遠，會使整個回轉(zhuǎn)平臺對中心軸處于不平衡狀態(tài)。這時，中心軸上會出現(xiàn)拉伸應力和彎曲應力。而鏟斗在滿載回轉(zhuǎn)過程中，由于回轉(zhuǎn)平臺的轉(zhuǎn)動，底架梁與中央樞軸不轉(zhuǎn)動，電鏟回轉(zhuǎn)扭矩及振動很大，作業(yè)工況復雜，這些力都會作用在中央樞軸上。

1.2 中央樞軸常見故障原因分析

因中央樞軸故障而導致設(shè)備需要停機維修的原因可以概括為以下幾點:中央樞軸鎖緊鍵撕裂、中央樞軸螺紋損壞、輥子斷軸和環(huán)軌損壞、配重的影響、崗位操作人員操作和維護不到位等［4］，而這其中主要以中央樞軸鎖緊鍵撕裂故障為主。

1.3 存在的問題

(1)中央樞軸鎖緊鍵上部有6000伏高壓集電環(huán)，日常點檢較為困難且危險因素較多。

(2)如鎖緊鍵撕裂而點檢人員沒有及時發(fā)現(xiàn)，就給崗位操作人員留下了較大的安全隱患。

(3)由于鎖緊鍵撕裂而導致設(shè)備故障后，維修時間長且需要大量工程輔助設(shè)備協(xié)助處理［5］。

2 中央樞軸鎖緊鍵原設(shè)計

WK－27型電鏟中心軸螺帽布置在回轉(zhuǎn)平臺上部，中心軸螺帽設(shè)有長120 mm、寬75 mm、深30 mm的槽，卡槽內(nèi)設(shè)有附加鍵，附件鍵上用兩個螺栓固定鎖緊板，鎖緊板厚度為16 mm，鎖緊板三面開有卡槽。中心軸上同樣開有長75 mm、寬40 mm、深75 mm的槽。調(diào)整好中心軸間隙后，在中心軸與鎖緊板配合的槽內(nèi)插一塊長75 mm、寬40 mm，厚75 mm的鍵，稱作鎖緊鍵，如圖1所示。

這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計，當電鏟回轉(zhuǎn)時，中央樞軸不轉(zhuǎn)動，本身不應承受回轉(zhuǎn)扭矩，由于工況復雜，中心軸銅套偏磨、受力不均等因素，使中央樞軸與螺帽之間產(chǎn)生相對位移，這樣的位移完全由鎖緊鍵及兩個螺栓克服。在生產(chǎn)實際中，鎖緊鍵受到的剪切力，將鎖緊板卡槽口壓潰、進而撕裂，M20和M16的兩個螺栓被剪斷，鎖緊板變形、錯位，直接影響其上安裝的高低壓集電環(huán)的正常工作。

圖1 中央樞軸組件

3 中央樞軸鎖緊鍵改造后設(shè)計

將螺帽上安裝附加鍵的槽銑通至螺帽內(nèi)徑，調(diào)整好中心軸間隙后，螺帽卡槽與中央樞軸卡槽正對，加工一尺寸為180 mm×75 mm×30 mm的鍵，鍵用強度極限不低于600 MPa的鋼材料制成［6-8］。取消原鎖緊鍵及附加鍵，新鍵用來固定螺帽與中央樞軸的相對位置，如圖2所示。

圖2 改造后中央樞軸組件

4 鍵的理論計算

4.1 原鎖緊鍵的尺寸

原鎖緊鍵尺寸為75 mm×40 mm×75 mm，但其與鎖緊板接觸厚度僅為16 mm，在鍵的靜連接中，鎖緊板屬于弱的零件。其傳遞的轉(zhuǎn)矩為:

式中，T1為轉(zhuǎn)矩，N·m;h1為鍵高，m;L1為鍵的接觸長度，m;d1為軸徑，m;［σ］p為許用擠壓應力，N。

4.2 改造后鎖緊鍵的尺寸

改造后的鎖緊鍵尺寸為180 mm×75 mm×30 mm，鍵不與鎖緊板接觸，直接固定螺帽與樞軸。其傳遞的轉(zhuǎn)矩為:

將各數(shù)值代入公式比較得知，T2≈8.4T1，改進后鍵承受的轉(zhuǎn)矩增大了8倍多。

5 結(jié)論

(1)采用強度極限不低于600 MPa的鋼材料制成的新鎖緊鍵可滿足生產(chǎn)實際要求。

(2)通過對WK－27型電鏟中央樞軸鎖緊鍵的改造，從2013年至今沒有發(fā)生鎖緊板變形、移位現(xiàn)象，高低壓集電環(huán)工作環(huán)境安全穩(wěn)固。

(3)此改造費用低，效果好，降低了設(shè)備日常點檢的工作強度，保證了設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。

［1］劉建勇，趙永崗，張速旺.白云鄂博礦床極貧鐵礦石和難選鐵礦石資源開發(fā)利用前景分析［J］.金屬礦山，2008(11):170-174.

［2］劉云生，白新榮，李占坤.巴潤礦業(yè)公司景觀規(guī)劃初探［J］.包鋼科技，2010，36(1):65-68.

［3］陳星明.露天礦山采掘設(shè)備選型優(yōu)化配置的研究［J］.采礦技術(shù)，2005，5(4):34-37.

［4］李立明.汪 洋.2100BL電鏟中央樞軸的改進［J］.設(shè)備維修，2010(3):48-49.

［5］劉天林.WK－10B型挖掘機中央樞軸和環(huán)軌損壞原因分析及更換方法［J］.礦山機械，2011，39(1):138-139.

［6］來 彬，任家駿，吳鳳林，等.普通平鍵尺寸優(yōu)化設(shè)計［J］.機械管理開發(fā)，2006(3):21-22.

［7］何正嘉，袁 靜，訾艷陽.機械故障診斷的內(nèi)積變換原理與應用［M］.北京:科學出版社，2012:47-60.

［8］褚福磊，彭志科，馮志鵬，等.機械故障診斷中的現(xiàn)代信息處理方法［M］.北京:科學出版社，2019:115-121.