采煤机电机转子内花键修复技术探讨

李焕娣

0 引言

近年来，采煤机电动机转子负荷输出端由外花键改为内花键，并且越来越普遍。如采煤机用YBC2-300 型电动机负荷输出端为内花键，这种改进的特点是电动机与采煤机组用一根齿槽轴连接，当机组负荷过载或闷车时，很快将齿槽轴损坏或断裂，不用拆电机，只需更换一根新齿槽轴就可解决问题；但是当电动机内花键损坏后，必须拆下电机修复。以前，就近修理厂无法修理，只能买厂家的新转子，非常影响生产。因购买新转子等待时间长、费用高，1 根300 kW 成品转子费用是25 000 元。1 根转子只因内花键损坏就报废实在太可惜，为此探索修复YBC 型系列电动机转子内花键具有现实意义。

1 电动机转子内花键结构分析及修复方案

1.1 电动机转子内花键结构分析

YBC2-300 型电动机的转子示意见图1，可看出转子内花键的轴向位置在距负荷端端部入深323 mm处，内花键与转子的转轴为一整体，转轴与铁芯通过滚花与键烘装连接，内花键损坏失效后必须更换整个转子，大多修理厂没有转子的专用加工设备，其他设备的加工精度与工艺又达不到要求，因此只能去电动机制造厂家更换新的转子。

图1 YBC2-300 型电动机转子示意

1.2 内花键修复方案一

通过扩孔车去损坏花键，更换新花键套，再在外边镶套以固定花键套的轴向位置。

在方案实施中发现了问题：通常电机内花键轴向位置距外端较浅，很容易车掉内花键后更换，并容易焊接。而本台YBC2-300 型电机的内花键轴向深达323 mm，不容易车掉。即使车掉后精度也达不到要求，因为尺寸太深，轴的同轴度、圆柱度、圆跳动等形位公差均达不到要求。另外，更换花键套后，必须焊接才能确保机械强度，工件短一点，端部焊接后工件变形不大，可以保证工件两端的轴向倾斜度很小；而本台电机的花键套长达323 mm，端部焊接后很难保证轴向中心线不会倾斜且不超差，成品率极低，综合性能达不到要求。

1.3 内花键修复方案二

采用断轴再接工艺更换内花键套。也就是在转子轴端部适当位置切断，使花键套的轴向深度变浅，便于加工和焊接。用车床扩孔车掉损坏的旧花键，加工新的花键套后再将新花键套与转轴焊接在一起，并确保原来转轴的各部分尺寸公差、形状等均不变。

为确保焊接后电动机转轴的机械强度，采用了加大焊接坡口尺寸的方法。花键套外圆内侧与车掉花键套后的转轴内孔采用过盈配合，以进一步加强焊接后转轴的机械强度。根据以前的断轴再接经验和强度校核，此方案可行。

2 内花键套的设计

根据齿槽轴参数，确定内花键套参数（见表1）。

表1 内花键参数

为确保齿面的抗疲劳强度和较好的韧性，将齿面调质，调质硬度（250～270)HBW；再进行中频表面淬火，深度4 mm～6 mm，硬度由原来的洛氏硬度(30～35)HRC 增加为洛氏硬度(45～48)HRC，提高了内花键的综合力学性能，以承受较大的交变载荷和冲击载荷。

因为电动部的转子承受冲击、反复弯曲疲劳和扭转，主要瞬时超载而扭断，故根据抗扭强度公式计算花键套外径。

抗扭强度公式[1]:

式中：d ——花键套外径，mm；

T ——轴所传递的扭矩，N·m ；

[τ]——许用扭转剪应力，在42CrMo 材料的许用扭转剪应力范围内选取最小值35 N/mm2；

α ——空心轴内径d1与外径d 之比，。

式中：P ——轴所传递的功率，kW；

n ——轴的工作转速，r/min。

考虑到电机的过载能力，强度校核中应按最大转矩计算：Tmax=2×T=2×1 935.8=3 871.6 N·m.

将抗扭强度公式代入上述数据可得：

故选取花键套外径d=100 mm。

3 内花键套的制造

根据上述数据和转子总长设计出内花键套(见图2）。

图2 内花键套

根据内花键套的形状尺寸及内花键参数，确定加工内花键的工艺路线：下料→锻造→退火→粗加工→半精车外圆→精车外圆→淬火→高温回火→粗磨外圆→滚铣花键槽→精磨→锻压→热处理→机加工等分别加工[2]。

（1）用车床扩孔并车掉损坏的旧花键。因内花键用于传递转矩又得实现牢固结合，故镶嵌的内花键套选用Φ100H7/t6 过盈配合，将孔扩至，内花键轴孔配合的最大过盈量Ymax=Dmin-dmax=EI-es=0-0.113=-0.113 mm，最小过盈量Ymin=Dmax-dmin=ES-ei=0.035-0.091=-0.056 mm，满足了内花键的精度设计要求，还需确保内花键焊接后的机械强度和轴的抗扭强度。

（2）组装花键套前，将电机转子整体放入干燥室升温至180℃，恒温4 h～6 h 后再用氧气对轴头局部加热至300℃～400℃，花键套用液氮煮2 min，用压力机将花键套压装进去并到位[3]。

（3）在满足强度要求的前提下，内花键套和转子选择合理的V 形预制坡口[1]。坡口处采用多层多道焊接工艺。焊端面焊缝和4 个填焊孔，焊面不得高于轴表面，减少残余焊接变形和应力，确保焊接质量。焊后刀检端面和其他台阶径面，确保各台阶直径在图标公差范围之内。

（4）用车床将焊口车平，恢复电动机转子原状。

（5）钳工修齿，以防止焊后齿形或尺寸变形，确保齿槽轴顺利装入花键套并有合适的配合。

4 空心轴强度校核

内花键套是按抗扭强度设计的，应该没有问题；外部各部分轴肩与原转轴相同是经过强度校核的，不用再校核。现只校核焊口处的抗扭强度。根据图1 尺寸，按空心轴校核，转轴材料选用40Cr 调质钢。空心轴的内径d1与外径d 之比，转轴传动的最大扭矩Tmax=3 871.6 N·m，许用扭转剪应力［τ］=35 N/mm2，将这些数据带入抗扭强度公式可得：

通过验算可知，空心轴的强度满足要求，焊口处强度通过校核。

5 使用效果

修复1 台采煤机用YBC 型电动机转子内花键的成本费用为2 800 元，和购买新转子相比，价格低廉；用抗扭强度计算出的内花键套增加了壁厚，又加大了齿面硬度，设计出的内花键套是经济适用的；缩短了修理周期。应用此技术先后对26 台采煤机电动部转子内花键进行了更换修复，至今设备运行正常。

6 结语

YBC 型电动机转子内花键的成功修复，填补了大同煤矿集团公司电动机转子修理技术的空白。该新工艺在不更换转子的情况下更换内花键，为修复类似电动机转子的内花键积累了经验，其他结构形式的电机更换内花键也可以借鉴上述方法。

[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2000.

[2]金续曾.新编电机绕组修理手册[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

[3]傅丰礼，唐孝镐.异步电动机设计手册[M].北京：机械工业出版社，2008.