某矿副井天轮失效分析

张全平

（山西汾西矿业集团，山西 介休 032000）

某矿副井天轮失效分析

张全平

（山西汾西矿业集团，山西 介休 032000）

从提升机与天轮的布置形式、载荷、结构等方面，分析了某矿φ4 m大型天轮早期失效机运转噪声较大的原因。

天轮失效；偏载；轴向力；轴承

1 副井提升系统概况及天轮使用情况

1.1 副井提升系统概况

某煤矿副井采用立井开拓方式，井筒直径8.0 m，装备两套提升容器，一套为1.5 t矿车双层四车宽罐配平衡锤系统；另一套为1.5 t矿车双层四车窄罐配特制高罐系统。除提升矸石、升降人员和物料外，宽罐还担负升降整体大型设备的任务。宽、窄罐在提升矸石及下放物料时为双层四车配载，井口、井底采用沉罐方式装罐，高罐下放长材时其对侧窄罐应配四辆空车或两辆重车。井口、井底设人员上下平台，两层同时进出罐。

采用落地式摩擦提升系统，两套提升机布置在同一侧，为避免干涉两台提升机在平面布置上提升机轴线相对于天轮轴线偏转1°（见图1的提升系统布置图）。

图1 提升系统布置图

提升机为JKMD-4X4(Z)型落地式多绳摩擦轮提升机，主导轮直径为φ4 m，提升钢丝绳直径为φ40 mm，天轮直径为φ4 m。

1.2 副井天轮使用情况

该煤矿副井提升系统1996年5月正式投入使用。在生产中发现提升系统运行时天轮噪声较大，高于同类煤矿天轮运转噪声水平。2001年5月其中一套天轮发生故障，表现为一侧轴承失效，滚子研磨变形并脱落、保持架完全损坏。经检查轴承座的密封没有损坏，轴承座内没有侵入泥、水等杂质。2003年6月又有一套天轮的固定端支座轴承损坏，检查发现轴承外圈剥蚀，其中有长10 mm，宽5 mm，深2 mm的剥蚀坑。高罐天轮的轮毂连接螺栓断裂过两次，轴瓦磨损严重，有铜屑溢出。

天轮是提升系统内的一个重要单元，按《煤炭安全规程》规定必须每天检查，并作检查记录。天轮的安全可靠性对煤矿安全生产影响极大。大型模压天轮结构复杂、制造成本较高，使用寿命一般在20年以上，而此矿有的天轮仅使用7年就失效，应认真分析原因，积极采取改善措施。

2 副井天轮技术参数验算及分析

2.1 技术参数验算

在4个提升容器中，宽罐所受载荷最大，现以宽罐为例验算天轮的受力。

2.1.1 天轮径向力Fj

表1 主提升钢丝绳终端张力（F绳）表

表2天轮径向载荷（Fj）表

2.1.2 天轮轴向力FZ

由于提升机主导轮轴线相对于天轮轴线有1°夹角，运行中天轮受到轴向力作用。

式中：F绳：钢丝绳终端载荷；

α：提升钢丝绳与天轮中心线夹角，α=1°。

表3 天轮轴向力（FZ）表

2.1.3 提升机轴向力FZT

式中：F绳：钢丝绳最大绳端载荷；

β：提升机主导轮中心线与提升钢丝绳夹角，β=1°。

表4 提升机轴向力（FZT）表

2.1.4 轮体强度校核

2.1.4.1 受力分析

辐受力情况比较复杂。天轮在旋转式每根轮辐都承受重复的交变载荷，当运动到围包角范围内受压，在围包角范围以外大部分受拉。此外，轮辐在绳槽对称平面还产生弯曲变形。按行业通用方法，将轮辐视为一根压杆进行稳定校核，不考虑弯曲变形的影响，按照钢丝绳破断时位于钢丝绳围包范围内的轮辐所受的瞬时载荷（为最大值）进行计算。

2.1.4.2 稳定性校核

（1）轮辐基本参数

（2）计算载荷N：

取相邻两轮辐之间的的轮缘上的径向压力的合力N为计算载荷：

式中S0：丝破断拉力总和，主提升钢丝绳选用6×25TS（12/121）BR（9/3）FC/40ZAB6V×37S+FC，钢丝破断拉力总和为 1 215 kN。

11.25°：两轮辐之间的夹角

（3）轮辐柔度λ

式中：μ：长度系数，模压天轮轮辐按两端铰接计算，μ=1；

l：轮辐计算长度，l=1.45 m；

i：轮辐惯性半径，i=5.34 mm。

（4）轮辐许可压力 A〔σw〕

式中ф与P压杆纵向弯曲时许用应力折减系数，根据柔度λ查表ф=0.96；

l：轮辐计算长度，l=1.45 m；

i：轮辐惯性半径，i=5.34 mm。

（5）计算结果

N

2.1.5 轴承寿命校核

（1）轮轴径向负荷FZJ

式中α：提升机出绳仰角之半，α=35°/2=17.5°

Q：天轮自重，Q=246 kN

F绳：主提升钢丝绳终端载荷，取平均值F绳=546 kN

（2）每个轴承径向负荷Fr

（3）固定轴承径向负荷Fa

（4）当量动负荷Fa

（5）核算 Lh

按常规取Lh=13 000 h，则所需当量动负荷C1为：

原天轮采用3113776双列向心球面滚子轴承，C1=2380kN，则原天轮轴承寿命Lh=5 600 h。

可见，由于轴向力影响，原天轮轴承使用寿命远低于常规天轮的使用寿命（Lh=13 000 h）。

2.2 失效原因分析

天轮工作于低速重载、频繁起动、反复变向、变速及制动的工作状态，工况较恶劣，采用张力自平衡悬挂装置后，在一个提升循环中，一组天轮之间的相对滑动比较频繁，相对转角比较大，最大可达180°，因此对轴瓦的润滑要求较高。

2.2.1 轴承失效原因分析

由于天轮安装条件较差，安装精度难以保证，井架受力后难免有些变形，固很难保证两侧轴承的同心度，因此需选用调心轴承。此矿天轮采用GB286-64 3113776型双列向心球面滚子轴承。双列向心球面滚子轴承调心性好，但承受轴向负荷的能力较差。在天轮结构设计时，为满足轴的热胀冷缩效应，有一端轴承是可以轴向游动的。这样，当天轮受轴向力时，只能由固定侧轴承的一排滚子承受，由于滚子受力不均匀边缘应力很大，会引起滚子和滚道的早期点蚀，继而造成轴承过早失效。由前面计算可知，当承受轴向力时，以平均绳端荷载计算，计算寿命为5 600 h，低于常规13 000 h，轴承疲劳寿命大大降低。

2.2.2 噪声异常分析

天轮转动时发出噪声，经分析有以下几个原因：

（1）加工过程中，如果消除应力不彻底，或者在组装过程中产生了装配应力，在运转时这种应力会引起噪声。

（2）轴瓦的固定装置由于交变应力作用后产生开焊，导致轴瓦与轴之间产生相互运动，这时也会引起噪声。

（3）天轮轮辐受力情况比较复杂。天轮在运转时每根轮辐都承受反复的交变载荷，当运动到围包角范围内时受压，在围保角范围以外大部分受拉。当天轮受轴向力时，轮辐在绳槽对称平面还产生弯曲变形。由于制造难度和运输方面的原因，轮缘制成对称剖分式的，组装使用螺栓连接。由于整体刚性较差，轮辐、轮缘在交变载荷的作用下产生应力与应变，发出噪声。

2.2.3 轴瓦磨损分析

轴瓦正常运转时，允许有一定的磨损量，由于安装误差，导致受力不均匀，或轴瓦松动、润滑不充分或润滑脂变质时，则会产生严重磨损或烧瓦现象。

2.2.4 连接螺栓断裂分析

若螺栓紧固力矩不够，在受到径向和轴向交变载荷作用下，可能发生松动。连接松动会产生较大的冲击振动载荷，就会引起螺栓疲劳断裂。

2.2.5 天轮结构分析

限于当时条件，对这种低速重载荷的设计和制造经验、手法都不是完全成熟，例如，轴瓦与轮毂采用单键连接，偏弱，导致轮毂上固定键的挡块易开焊，从而产生松动，润滑结构也不是很合理。

5 结束语

综上所述，由于布置原因导致天轮受较大轴向力，加上天轮结构上的不足，及安装误差和井架受力后产生变形导致受力不均匀是产生故障的原因。

The Analysis of Sheave Failure in an Auxiliary Shaft

Zhang Quanping

The article,from the arrangement form,load and structure aspects of elevator and sheave,analyzesφ4 m large-scale sheave machine's earlyfailure causingnoisyoperation in a mining.

sheave failure;partial load;axial force;bearing

TD652

A

1000-8136(2011)05-0014-03