刮板运输机驱动电机断轴事故分析.pdf

第7期刮板运输机驱动电机断轴事故分析方中喜郭建军呼鹏举（国家能源集团神东煤炭公司锦界煤矿，陕西神木， 719300）摘要本文以锦界煤矿原煤仓刮板运输机驱动电机断轴事件为导向，依据现场实际存在问题和检测数据，判断出液力耦合器选型不匹配是造成事故的主要原因。通过理论分析，得出液力耦合器选型的方法，利用功率图谱法得出锦界煤矿上仓耦合器选型过大的结论，同时，本文总结出液力耦合器选型的一些基本原则，对实践过程中设备故障分析、判断和设备选型具有指导意义。关键词水介质液力耦合器断轴选型方法选型原则功率图谱中图分类号 TD528.3文献标识码 B文章编号 2096-7691 （2020） 07-059-04 作者简介方中喜（1979-），男，工程师， 2003年毕业于陕西科技大学，现任国家能源集团神东煤炭公司锦界煤矿副矿长。 Tel 18049301000， E-mail zhongxi.fang 1引言近年来，随着传统能源供应的日趋紧张，对于能源使用方面，各行业都尤为重视能源利用效率提高的问题。党的十九大以来，党和国家大力提倡节能减排、低碳环保的生产方式，由此水介质的液力耦合器以其优良的传动性能、节能环保等优点，得到业内广泛使用，特别是在煤矿长距离带式输送机和刮板运输机的使用上取得了较好的经济效果，同时液力耦合器柔性传动的特点，具有刚性联轴器无法比拟的保护电机的优势［1］。 2基本结构和工作原理液力耦合器作为一种传动元件，应用广泛。其典型的结构由对称布置的泵轮、涡轮以及主轴、外壳等组成，如图1所示。泵轮和涡轮均为具有径向叶片的叶轮，由叶片间的凹式空腔部分所形成的流道充填液体介质来传递功率。输入端、输出端分别与电机、减速机相连。在原动机转速恒定的条件下，通过泵轮、涡轮之间液体介质的循环流动，传递给工作机，实现功率的柔性传动［2］。当电机通过输入轴带动泵轮旋转时，充填在泵轮叶片间所形成的流道内液体介质受离心力和叶片推动的双重作用，从半径较小的泵轮入口被加速加压抛向半径较大的泵轮出口，同时液体介质的动量矩增大，即泵轮将电机输入的机械能转化为液体流动的动能和势能。当高速、高压的液体介质有泵轮出口冲向对面涡轮时，液体冲击涡轮叶片使其与泵轮同方向转动，液体介质沿着叶片间所形成的流道由外缘向中间流动，对涡轮做功，液体介质的动能和势能就转换为涡轮的机械能，驱动涡轮旋转并带动减速机转动。释放能量的液体介质再次回到泵轮入口，开始下一次能量转换。液体介质周而复始的在泵轮和涡轮间流动，便将机械能不断地传递给工作机［3］。 3设备配套情况及存在问题锦界煤矿原煤仓上安装2套秦皇岛市华科煤矿机械有限公司SGB2000型刮板运输机， 2011年投入运行。刮板机驱动部由电动机、液力耦合器和减速器构成。三相异步电机型号YKK500-4，电机过载系数为1.9，由南阳防爆集团有限公司生产，功率500kW，额定转速1490r/min，输出端轴ϕ130mm，液力耦合器第18卷第7期 VOL.18NO.7 2020年7月 Jul.2020 图1液力耦合器基本结构涡轮轴承输出轴输入轴泵轮密封第7期选用大连奥创生产的TVAE866水介质耦合器，减速器为沃德传动股份有限公司生产的W3S H290型减速器，输入端轴ϕ120mm。电机和耦合器为硬连接，耦合器和减速器为弹性连接。设备现场连接如图 2 所示。刮板运输机运输机驱动部分减速机液力耦合器交流电机弹性连接硬连接图2设备现场构成该设备在使用过程中，多次出现电机断轴事件，且成套驱动装置振动值一直较大，振动时伴随异响和噪音。针对电机轴断裂处截面进行分析，如图3所示。电机轴2/3部分断裂面较为光滑， 1/3部分断裂面相对粗糙，存在电机轴加工精度不一致的现象，电机轴开裂位置也在轴面碳化处，存在因加工质量问题导致电机轴在长期运行过程中出现裂纹现象。图3电机轴断裂截面外观针对设备传动结构进行分析，该套设备配置的是限矩型液力耦合器，具有软启功能，电机开始运行后，经约20s达到额定转速，此时负载加速力矩逐渐增大，导致电机与耦合器之间轴端长时间处于加速过程，同时耦合器输入端和输出端驱动过程中，存在相对运动，造成软启动器与液力耦合器启动达到额定转速的过程中，电机轴截面频繁受到应力方向和应力大小的波动冲击，容易造成电机轴碳化部分出现裂纹，或者使出现的裂纹加剧。针对液力耦合器输入端及电机振动值进行测量，取多组测试值平均值进行记录，耦合器输入端水平振动符合标准，垂直振动值较大。空载运行时，振动峰值达到60mm/s。电机振动也是造成出现裂纹和加剧裂纹的原因，具体见表1。表1锦界煤矿105刮板机液力耦合器输入端振动测试值测点耦合器输入端垂直速度耦合器输入端水平速度耦合器输入端垂直速度耦合器输入端水平速度耦合器输入端垂直速度耦合器输入端水平速度耦合器输入端垂直速度耦合器输入端水平速度空载（mm/s） 32 2.8 29 2.7 33 2.6 31 2.7 40负载（mm/s） 29 2.8 29 2.6 30 2.5 30 2.6 80负载（mm/s） 22 2.8 21 2.6 23 2.5 24 2.6 时间 3月1日17 50 3月1日17 52 3月2日17 47 3月2日17 48 3月3日17 54 3月3日17 55 3月4日19 14 3月4日19 16 4事件分析以TVAE866型液力耦合器的传递功率范围、过载系数及安装孔径尺寸进行选型，锦界煤矿该套驱动装置选用TVAE866型产品，设计合理。对振动统计数据进行分析可以发现，随着负载的增大，其对应的振动值有下降的趋势，垂直振动值达21mm/s，但不符合国标GB/T60751 （1999）关于第Ⅲ类设备的振动规定见表2。型号 TVAE866 输入转速（r/min） 750 1000 1500 传递功率最佳范围（kW） 145280 345650 7001000 过载系数起动 1.51.8 效率（η） 0.96 最大输入孔及长度（mm） ϕ150/250 最大输出孔及长度（mm） ϕ150/250 充液量（L） 56112 重量（kg） 465 表2TVAE866型液力耦合器技术参数故障处理期间，多次组织人员对驱动装置基础重新进行加工，浇筑和调平找正，效果均不明显，基本可以确定静平衡对设备运行未造成明显影响。因此，该成套驱动装置振动较大，且易导致电机断轴时间发生，应是电机、耦合器匹配不当所致。 5液力耦合器选择方法根据传统液力耦合器选型方法，并参考相关文献，本文列出了耦合器选型常用的2种方法，结合锦界煤矿上仓刮板运输机实际应用情况，总结出耦合器方中喜等刮板运输机驱动电机断轴事故分析60 第7期选型的基本原则。 5.1作图法将上仓刮板机驱动电机、液力耦合器各类参数代入公式［4-6］，分别计算行交流电机的机械特性和液力耦合器的输出扭矩，得出电机和液力耦合器的联合工作特性曲线方程，并绘制出联合特性曲线图，如图3 所示。结合该曲线，可以判断针对现场使用电机，选择 TVA866型耦合器可以延缓电机的加速过程，转矩达到最大后，随着转速的增加而减小，具有良好的启动效果。这种方法液力耦合器选用TVA866型理论上是可行的，但实际应用过程中多有不便。 9 8 7 6 5 4 3 2 1 转矩（m/kNm） 01002003004005006007008009001000 转速（N/rmin-1）图3电机与液力耦合器输出转矩的联合曲线 5.2功率图谱法作图法用于理论定性研究是可行的，但用于实际选型既过于复杂又不一定准确。通常液力耦合器依靠电机功率转速匹配曲线（功率图谱）进行选型［7］。这种方法是根据驱动电机的额定功率和额定转速，选择匹配电机工况点的耦合器区域，同时结合过载能力、启动系数、输入输出端等设备技术参数选择相应型号的产品。图4为大连奥创液力耦合器功率转速匹配曲线，根据锦界煤矿设备技术参数，结合该功率转速匹配曲线。可以看出，选择型号TVAE866型产品时，选型略大，其运行中产生的冲量过大，导致振动值异常，应选择TVAE750型产品。表3为TVAE750型液力耦合器技术参数，可满足电机、减速器连接条件。 1000 800 700 600 500 400 350 300 250 200 180 140 120 100 kW 3755006007501000 12001500 18003000 3600 1550 1250 1150 1000 866 750 650 600 560 562 500 510 450 420 图4大连奥创液力耦合器功率转速匹配曲线型号 TVAE750 输入转速（r/min） 1000 1500 传递功率范围（kW） 175340 400700 过载系数起动 1.51.8 效率（η） 0.96 最大输入孔及长度（mm） φ130/210 最大输出孔及长度（mm） φ140/210 充液量（l） 3468 重量（kg） 327 表3TVAE750型液力耦合器技术参数通过以上2种液力耦合器选型方法，对锦界煤矿将上仓刮板运输机液力耦合器配套情况进行验算，结果表明，液力耦合器更换为TVAE750后，成套驱动装置振动值均在处在振动标准良性区域内，振动测试值见表4，该设备运行至今也未出现电机断轴事件。表4锦界煤矿105刮板机液力耦合器输入端振动测试值测点耦合器输入端垂直速度耦合器输入端水平速度耦合器输入端垂直速度耦合器输入端水平速度耦合器输入端垂直速度耦合器输入端水平速度耦合器输入端垂直速度耦合器输入端水平速度空载（mm/s） 2.1 2.8 2.1 2.7 2.1 2.6 2.1 2.7 40负载（mm/s） 2.0 2.8 1.9 2.6 2.0 2.5 1.9 2.6 80负载（mm/s） 1.9 2.8 1.8 2.6 2.0 2.5 1.9 2.6 时间 5月1日16 30 5月1日17 52 5月2日17 55 5月2日17 58 5月3日17 50 5月3日17 55 5月4日19 15 5月4日19 20 6结束语本文从锦界煤矿电机断轴事件出发，简单分析了电机断轴和异常振动的原因，通过实际问题分析，总结出了液力耦合器选型时容易产生的误区，以及液力耦合器选型的一些方法和基本原则，对实践分析故障和解决问题具有一定的指导意义。液力耦合器选型应遵循以下原则（1）兼顾功率图谱和产品技术参数的原则。初步选型时，仅依靠产品技术参数选择设备，会出现选型过大或过小的现象，必须首先依靠耦合器功率图谱确定适用范围，然后结合产品参数确定型号。（2）耦合器过载系数要低于电动机过载系数，以利于保护电动机不受损坏。（3）让电动机功率留有一定裕度。若驱动电机轴功 61 第7期率为1，则减速机、耦合器、电动机功率比取1 ∶ 1.05 ∶ 1.1 为宜。（4）限矩型液力耦合器尽量选用功率上限。限矩型液力耦合器传递功率上限对应80充液，传递功率下限对应50充液率。因高充液率性能曲线优于低充液率的性能曲线，且高充液率时耦合器的不稳定区缩小，所以应尽量选择较小规格、高充液率耦合器，而不要选择低充液率、较大规格的耦合器。参考文献［1］陈红辉，金鑫.胶带输送机用限矩型液力耦合器应用研究［J］ .Bao⁃ steel BAC，2013 389-394. ［2］张宇.刮板输送机中液力耦合器存在的问题及改进措施［J］ .科技创新与应用， 2016 （14） 49-50. ［3］邢小聪，程秀芳.电机与液力耦合器联合工作特性分析［J］ .煤矿机械， 2011， 32 （1） 98-100. ［4］陈于涛，陈林根.基于演化算法的液力耦合器自动建模及运行特性分析［J］ .机械工程学报， 2013， 49 （16） 153-159. ［5］田庄. 调速液力耦合器振动原因分析及处理［J］ . 振动与冲击， 2010， 29 （4） 222-225. ［6］刘春孝.液力耦合器的轴向力及实用计算［J］ .安阳工学院学报， 2008 （2） 35-36. ［7］何书生.液力耦合器实现带式输送机功率平衡的仿真研究［J］ .煤矿机械， 2013， 34 （8） 64-66. 方中喜等刮板运输机驱动电机断轴事故分析 Analysis of Shaft-breaking Accident of Drive Motor of Scraper Conveyor Fang Zhongxi，Guo Jianjun，Hu Pengju （Jingjie Coal Mine，CHN Energy Shendong Coal Group Corporation，Shenmu，Shaanxi，719300） AbstractAiming at the shaft-breaking accident in the drive motor of a scraper conveyor in a raw coal silo at Jingjie Coal Mine，based on actual issues at the site and tested data，it is determined that its main cause is the mismatched model of the hydraulic coupler. From theoretical analysis，an approach to hydraulic coupler selection is worked out，and with the power spectrum，it is concluded that the coal-uploading cou⁃ pler selected is too big. Meanwhile，this paper summarizes some basic criteria for selection of hydraulic cou⁃ plers，providing a guidance to troubleshooting，determination and equipment selection in practices. Key WordsWater-medium hydraulic coupler；Shaft breaking；Selection approach；Selection criteria；Pow⁃ er spectrum（收稿日期 2020-06-07责任编辑徐慧） 62