大隆矿主井提升机滚筒开裂的原因分析与处理

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　　【摘要】 针对大隆矿主井提升机运行实际中出现的滚筒开裂现象，从理论到实践分析了裂纹原因，提出和实施了改造方案，增强了主井提升系统安全可靠性，清除了安全隐患。
　　【关键词】 提升机;滚筒裂纹;分析
　　【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2019.02.014
　　Abstract： In view of the cracking phenomenon of the drum in the operation of the main shaft hoist in Dalong Mine，the causes of the cracks are analyzed from theory to practice，and the renovation scheme is put forward and implemented，which enhances the safety and reliability of the main shaft hoisting system and eliminates the potential safety hazards.
　　Key words： hoist;cylinder crack;analysis
　　大隆矿主井提升机系原苏联产的单滚筒可分离式6 m绞车，型号为1×6×3.2/0.75，由于设备经过长期运转已进入疲劳期，在滚筒连接幅板角焊缝出现裂纹并有继续扩展趋势，游动卷筒闸盘偏摆局部也有超限，箕斗低速运行时闸盘有轻微刮蹭闸瓦现象，严重威胁着矿井安全生产。
　　为了彻底消除此隐患，对滚筒裂纹产生原因进行了深入研究和分析，提出和实施了更换主轴装置方案，解决了老滚筒裂纹问题，取得了良好的效果。
　　1 滚筒的开裂部位及其特征
　　通过现场对大隆矿主井提升机进行实际观察、测量，得出当前绞车卷筒裂纹状况，如图1所示。在固定筒壳两幅板之间连接板与幅板连接的角焊缝出现裂纹，此裂纹已扩展延伸到筒壳上，两半筒壳合口面四块连接板两端共8处均出现长短不同的延伸裂纹，其中最长的裂纹达240 mm，最短的也有150 mm，并且在筒壳厚度50 mm方向上通透贯穿，从筒壳外表上看，裂纹界线两边母材高、低相差1.5 mm，即出现裂纹支撑弱的一侧塌陷现象。
　　自2012年底检修时发现滚筒存在裂纹以来，曾先后多次对开焊部位实施过补焊，并在裂纹终端打止裂孔，但处理效果都不理想。裂隙没有停止发展，继续延长，同時裂隙处卷筒对口螺栓出现断裂情况，卷筒侧板焊缝开焊850 mm，影响主井安全提升，随时可能造成停运而中断生产。
　　2 卷筒开裂原因分析
　　2.1 碳钢裂纹分析
　　钢就是铁元素的原子聚合，里面全是铁原子组成的正立方体晶格。根据钢件在机器里受力位置不同自然会有拉压力和剪切力的区别。从晶格角度看，拉压力就是两个对称面的原子均匀地承受所分得的载荷，力被相同几何面上的原子平均分担了，这个合力就很大。而剪力与拉压力不同，几乎在同一平面相反的一对同样大小的力作用在零件一单独面上，落实到晶格上，就像对晶格12条棱边的某一条用剪力强制剪断一样，晶格的一条棱边仅是一条金属键而已，只剪断一条金属键所用的力值远远小于拉压力的时候就可以轻松剪断，参见图2所示。
　　对于焊缝这样的不均质材料，里面天然的破碎晶格，微小裂纹无论怎么热处理，也达不到均质碳钢的致密程度，受剪切力后微小裂纹只是根据剪力大小选择延伸或不延伸、延伸速度快慢问题。从材料不均质角度看钢材疲劳应力σ取值至少应从两方面考虑：一是外力破断晶格内金属键所需的等效力值，这个等效力是力值与力的作用循环次数的综合值，它使晶格产生初始裂纹;另一个是裂纹在等效力作用下使零件彻底损坏所用的循环次数或损坏所用的时间，零件厚重则耐久性大，单薄则耐久性小。
　　通过上述理论就不难得出，滚筒裂纹开焊的主要原因是由于两半滚筒的连接处强度不够造成的，因为滚筒采用全钢板焊接结构，整个滚筒的强度最薄弱的部位恰好也是整个滚筒的中间，滚筒周而复始的缠绳、放绳，使滚筒在圆周方向上周而复始受到挤压。仿苏结构中，筒壳设计理念停留在薄壁厚支的理念中，轮幅厚、卷筒壁薄易开裂，与今天的厚壁薄支弹性基础梁理念不同，两者相互参考有理论方面的基础差别。当滚筒受到钢丝绳挤压时滚筒就微量的向内收缩变形，焊肉在幅板微动弯曲（弹性范围内）变形形成长期交变拉伸或压缩焊缝，而焊缝材料不同于母材Q345B（16Mn）的屈服强度，焊缝屈服强度会更低，交变应力下会逐渐产生小的材料金相中的晶格破碎、滑移，从而变形小的裂纹，小的裂纹经过若干年成为长的裂纹，最后逐步扩展到滚筒筒壳上。
　　2.2 滚筒裂纹的受力分析
　　滚筒材质为低碳合金钢，板厚50 mm。材料受剪力容易损坏，尤其是不均匀的焊缝受剪力时，焊缝内部缺陷如微小裂纹就会根据剪切力大小做出延伸扩展的反应，再考察老主轴装置滚筒裂纹分布。从图3中a和c看出，连接板与幅板的角焊缝，当筒壳正中间受钢丝绳挤压后会颈缩，单边算1.5 mm。这1.5 mm会造成连接板沿30 mm厚度也弯曲1.5 mm，由于连接板端头下边缘会产生挤入幅板内部0.35 mm的趋势，而实际却挤不进，这就会挤连接板与幅板端头上的角焊缝。
　　图3中c箭头所示，连接板希望挤入幅板0.35 mm，挤不进就以剪力的方法压缩角焊缝，角焊缝是不均匀的，里面存在不少微小裂纹，提升一次剪切焊缝一次，45#钢剪切许用应力[τ]=80 MPa，卷筒半径单边颈缩1.5 mm，连接板弯曲1.5 mm，对角焊缝的剪切应力大概在110～200 MPa之间，超过一般钢材[τ]=80 MPa，角焊缝支撑不了就会出现明显的裂纹。
　　3 处理方案
　　3.1 方案的提出 　　通过对大隆矿主井提升机滚筒裂纹产生原因的深入研究与分析，并参考近年来国内许多大型矿井及科研院所对提升机类似故障缺陷处理经验，最终决定采取更换主轴装置方式，解决老筒壳裂纹问题，具体做法要点如下：
　　（1）优化设计。联系滚筒主轴生产厂家订做新设备。要求新滚筒在设计中采取有效措施弥补老主轴装置K360筒壳的技术缺陷，幅板中间连接板两端与幅板之间不再需要焊接，讓幅板连接处保持自由状态，以利于滚筒在受钢丝绳挤压过程中能自由收缩，补偿由于受压缩应力所产生的变形，没有焊缝自然就解决了疲劳裂纹容易向筒壳传导扩展的问题。
　　（2）改善滚筒受力情况。新滚筒在结构设计方面采用新型“厚壳弹支”滚筒结构，在满足滚筒厚度情况下，兼顾稳定性的要求。卷筒内部设有支环属于弹性支撑结构，每个滚筒的剖分面在制造厂内进行精加工，滚筒之间以及滚筒与轮毂采用精制配合螺栓和普通螺栓联接，现场安装只需固定螺栓即可。
　　（3）改造主轴承。老主轴装置轴承采用传统滑动乌金瓦式稀油润滑滑动轴承，配备ZKTD285/84-P型直流电动机、功率2500 kW。与主轴装置一样，电机转子轴承也采用2套稀油润滑滑动轴承，即整个提升机的机械旋转系统由4套滑动轴承来提供，静阻力高达36 kN，长期固定有此阻力，相当于用18.6 t的提升力只获得15 t的煤，损失太大。故决定将原主轴装置的滑动轴承改为SKF双列向心球面滚子轴承。将原电机半联轴节拆除后装配新制联轴节，并保持原电机和液压系统制动系统不动，更换新的滚筒及主轴装置。
　　虽然整体更换方案一次性投入成本高、工程量大、需停产处理时间长，但是可以从根本上彻底消除隐患，在安全上更有把握。而且新主轴装置采用滚动轴承设计可以有效减少传统乌金瓦式滑动轴承对支撑主轴装置旋转产生的静阻力，由于滚动、滑动轴承因各自阻力迥异，则新主轴装置安装后仅摩擦阻力一项的进步将给提升机运行带来可观的降耗。
　　3.2 实施过程
　　为确保大隆煤矿乃至全集团公司安全生产，2018年集团公司决心彻底消除大隆矿主提升机滚筒开裂的隐患，停产检修12天，更换主轴装置及滚筒。
　　整个改造工程主要分为两个部分：即原主轴滚筒拆除及新主轴滚筒安装。新安设备最大不可拆重量为120 t，施工中选用1台300 t汽车吊和2台100 t汽车吊配合进行吊装。在新、旧主轴装置交替更换的拆装过程中，使用KYJD型10 t拉力计对原设备的老式乌金瓦滑动轴承K360的旋转阻力进行了测定，即在主轴端联轴器与电机端联轴器分离、仅靠两个滑动轴承支撑主轴装置的情况下，测得滑动轴承的静摩擦阻力为35280 N。
　　2018年5月10日，大隆矿主井提升机主轴装置再次改造为1×6×3.2/0.75单筒分裂式盘形闸滚动轴承，电动机仍沿用原ZKTD285/84-P型直流电动机。盘形制动器仍为原盘形制动器。新主轴装置安装顺利，各部件组装准确达到设计尺寸要求，并无大的失误;安装公司24小时昼夜执行任务，于2018年5月22日历时12天安装完毕投产，运行效果良好。
　　4 经济效益
　　4.1 滑动轴承静阻力的运行费用计算
　　（1）求等效阻力
　　经计算，等效阻力为35280 N。
　　（2）求等效功率
　　经计算，功率值为390 kw。
　　（3）求每小时有功运行时间
　　显见，有功运行时间为0.81 h。
　　（4）求滑动轴承阻力耗电度数
　　易知，小时耗电度数和每年耗电度数分别是315 kW·h和1764000 kW·h。
　　（5）求滑动轴承静阻力的年运行费用
　　电价取0.7223元/度。
　　基于前述4步计算结果，可得每年因主轴装置滑动轴承阻力耗费资金为127万元。这笔资金为刚性付出，由此可知18年来原设备K360滑动轴承阻力损耗资金共计2286万元。
　　4.2 改造后节省资金
　　2018年5月22日改造原K360主轴为SKF滚动轴承后，经实测新主轴装置最大静阻力约为1 KN（体重60 kg的人站在闸盘内侧支撑环三角板上边，整个卷筒就会缓缓转动，忽略卷筒静平衡偏差，取滚动轴承静阻力1 KN）。原滑动轴承3.6 t，比滚动轴承阻力大36倍，因此采用滚动轴承后每年滚动轴承阻力耗费资金是滑动轴承的1/36，即3.5万元，即每年仅滚动轴承一项，可以节约资金123.5万元。
　　5 结语
　　通过大隆矿主井1×6×3.2/0.75单筒分裂式提升机的成功改造我们可以得出如下经验：若矿井提升机仍在使用乌金瓦式滑动轴承支撑的主轴装置，都可以从克服摩擦阻力、提高传动效率方面来尝试进行设备改造;机械系统内任何低速重载设备，都应该进行滑动轴承、滚动轴承两个技术方案经济比较，最终达到合理选型，发挥设备最大效力的目的。
　　【参考文献】
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　　[3] 袁亮.煤矿总工程师技术手册[M].北京：煤炭工业出版社，2010.
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