杜天容 ，王軍生 ，劉向國(guó) ，蘇偉強(qiáng) ，李洪冰

（1.鞍鋼未來(lái)鋼鐵研究院有限公司，遼寧 鞍山114004；2.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山 114021；3.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司齊大山鐵礦，遼寧 鞍山 114043）

鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司齊大山鐵礦 （以下簡(jiǎn)稱齊礦）現(xiàn)有6臺(tái)WK-4型電鏟直接應(yīng)用于生產(chǎn)，年消耗主動(dòng)輪軸為20～25根，每根價(jià)格為9 500元。按年消耗主動(dòng)輪軸24根計(jì)算，費(fèi)用為22.8萬(wàn)元。主動(dòng)輪軸壽命短，更換頻率高，不僅會(huì)造成備件費(fèi)用消耗高，而且更換主動(dòng)輪軸還會(huì)影響生產(chǎn)的順利進(jìn)行。從現(xiàn)場(chǎng)損壞形式看，主動(dòng)輪軸的損壞多發(fā)生在花鍵聯(lián)接部位。鑒于此種現(xiàn)象，有必要對(duì)主動(dòng)輪軸的花鍵部位進(jìn)行改造。

1 主動(dòng)輪軸花鍵主要損壞形式及原因分析

齊礦目前所用的WK-4電鏟主動(dòng)輪軸與主動(dòng)輪之間的聯(lián)接均為矩形花鍵聯(lián)接。由于聯(lián)接中按小徑（d）定心，花鍵齒的側(cè)面受力不均，在承受重載的情況下，某些局部受力大的齒會(huì)先斷裂，其余齒也相繼損壞，從而使整根軸的總體強(qiáng)度降低，造成整根軸的功能失效?，F(xiàn)場(chǎng)主動(dòng)輪軸齒根斷裂情況如圖1所示。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可以得出，主動(dòng)輪軸花鍵部位有兩種損壞形式，一是磨損，二是花鍵齒的齒根斷裂，且后者較多?；ㄦI齒的齒根斷裂明顯是由于承載能力不足所造成的。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)主動(dòng)輪軸齒根斷裂情況

2 主動(dòng)輪軸花鍵改造

目前，國(guó)內(nèi)外礦山采掘設(shè)備普遍采用漸開(kāi)線花鍵聯(lián)接形式，且經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，漸開(kāi)線花鍵的壽命高，一般因磨損報(bào)廢，很少發(fā)生鍵齒斷裂。因此，考慮將主動(dòng)輪軸花鍵聯(lián)接部位由原有的矩形花鍵改造為漸開(kāi)線花鍵。

2.1 漸開(kāi)線花鍵的優(yōu)點(diǎn)

與矩形花鍵相比，漸開(kāi)線花鍵有如下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）由于漸開(kāi)線花鍵的齒廓為漸開(kāi)線，齒根較厚，齒根圓角較大，應(yīng)力集中較小，對(duì)軸的強(qiáng)度削弱程度小，且齒數(shù)較多，相應(yīng)的承載面積大，因此壽命長(zhǎng)。

（2）漸開(kāi)線花鍵在聯(lián)接中按齒形定心，具有自動(dòng)定心的作用，使其受力均勻，使用壽命延長(zhǎng)。

（3）可利用加工齒輪的各種加工方法加工漸開(kāi)線花鍵，加工工藝性較好，靠公司內(nèi)部加工單位就可完成，不需要外加工。

2.2 改進(jìn)過(guò)程中應(yīng)遵循的基本原則

（1）只改造花鍵聯(lián)接部位，軸、輪和其它相關(guān)的結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)要求均維持原設(shè)計(jì)，保持不變，防止改造一件而其它件隨之改變的現(xiàn)象發(fā)生，保證設(shè)備備件的互換性。

（2）漸開(kāi)線花鍵的設(shè)計(jì)應(yīng)在盡量保持花鍵尺寸和長(zhǎng)度不變的前提下，優(yōu)先選用國(guó)家推薦的漸開(kāi)線花鍵模數(shù)和尺寸系列。

2.3 改造設(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)參考

（1）漸開(kāi)線花鍵采用分度圓上壓力角30°，定心方式按齒形定心，充分發(fā)揮漸開(kāi)線花鍵的優(yōu)勢(shì)。

（2）公差和配合：齒側(cè)的配合精度按H/h類別，公差等級(jí)選為7～8級(jí)，粗糙度為6.3和12.5。由于WK-4電鏟是礦山重型采掘設(shè)備，在滿足生產(chǎn)要求的情況下，選擇較低精度，可降低成本。

3 兩種花鍵擠壓強(qiáng)度的對(duì)比計(jì)算

按照花鍵聯(lián)接的失效形式，分別對(duì)矩形花鍵和漸開(kāi)線花鍵進(jìn)行擠壓強(qiáng)度計(jì)算［1］。花鍵聯(lián)接齒形如圖2所示。

圖2 花鍵聯(lián)接計(jì)算

現(xiàn)用的WK-4電鏟各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 WK-4電鏟各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)

假設(shè)壓力在齒側(cè)面均勻分布，各齒壓力的合力作用在平均半徑處，則齒面上的擠壓強(qiáng)度為：

式中，σp為擠壓強(qiáng)度，MPa;T為轉(zhuǎn)矩，N·mm；i為速比；ψ為各齒間載荷分配不均勻系數(shù)，一般取0.7～0.8，此處取為0.75；z為花鍵的齒數(shù)；h為花鍵齒側(cè)面的工作高度，mm；L為花鍵齒的工作長(zhǎng)度，mm；rm為花鍵的平均半徑，mm。

式中，P為電機(jī)功率，kW；n為轉(zhuǎn)速，r/min。計(jì)算得

3.1 矩形花鍵擠壓強(qiáng)度

矩形花鍵z=10，rm=其中，D為花鍵軸外徑，230 mm；d為花鍵軸內(nèi)徑，207 mm；C為倒角尺寸，3 mm。

3.2 漸開(kāi)線花鍵擠壓強(qiáng)度

為了保證設(shè)備備件的互換性，選用漸開(kāi)線花鍵模數(shù)（m）為5 mm，由此可算出漸開(kāi)線花鍵的齒數(shù)

根據(jù)式（1）計(jì)算可得漸開(kāi)線花鍵σp=

通過(guò)對(duì)兩種花鍵的擠壓強(qiáng)度的計(jì)算分析可以看出，在電鏟正常運(yùn)行中，漸開(kāi)花鍵所受的擠壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于矩形花鍵，改造后的主動(dòng)輪軸的壽命將大大延長(zhǎng)。

4 應(yīng)用效果分析

齊礦于2013年開(kāi)始研究將WK-4電鏟主動(dòng)輪軸的花鍵聯(lián)接部位由原來(lái)的矩形花鍵改造為漸開(kāi)線花鍵的聯(lián)接形式，并在413#電鏟上實(shí)施。改造前后WK-4電鏟主動(dòng)輪軸使用情況如表2所示。由表2可以看出，改造后，年消耗主動(dòng)輪軸數(shù)量減少，主動(dòng)輪軸使用壽命延長(zhǎng)，備件費(fèi)用降低，節(jié)約了電鏟檢修時(shí)間。之后陸續(xù)在其它WK-4電鏟上推行，效果良好。

表2 改造前后WK-4電鏟主動(dòng)輪軸使用情況

5 結(jié)論

對(duì)鞍鋼齊大山鐵礦WK-4電鏟主動(dòng)輪軸損壞形式進(jìn)行分析，得出軸的損壞均發(fā)生在花鍵聯(lián)接部位，主動(dòng)輪軸花鍵齒承載能力不足、齒根斷裂是損壞的主要原因，提出用漸開(kāi)線花鍵代替矩形花鍵。通過(guò)對(duì)兩種形式花鍵的擠壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比，得出在轉(zhuǎn)矩和軸外徑都相同的情況下，漸開(kāi)線花鍵承受載荷的能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于矩形花鍵，能夠延長(zhǎng)主動(dòng)輪軸的使用壽命，從理論上說(shuō)明了用漸開(kāi)線花鍵代替矩形花鍵的必要性和可行性。對(duì)WK-4電鏟主動(dòng)輪軸實(shí)施改造后，年消耗主動(dòng)輪軸數(shù)量由24根降低至12根，平均使用壽命延長(zhǎng)6～9個(gè)月，減少備件費(fèi)用11.4萬(wàn)元/年，同時(shí)節(jié)約了電鏟檢修時(shí)間，值得推廣和借鑒。