电动滚筒常见故障分析与传动装置外置式滚筒的设计

          电动滚筒故障率较高，检查、检修困难是影响皮带机正常运行和系统正常生产的一个重要因素。本文仅就电动滚筒发生故障的原因，参照国内多种机型结构，提出新的改进设计思路。   
         
1   滚筒故障原因分析     
       笔者所在的竹林山煤炭有限责任公司生产系统、洗选系统和销售装车系统共使用电动滚筒驱动的皮带机32 台，带宽B=650mm，功率为5.5～22kW，长度多为15～120m，其中最长两台为500m。在运行过程中，只要其中一台发生故障，轻则影响系统运行，重则影响全矿正常生产。导致皮带机停运的故障一般有以下几个方面：
 1.1 滚筒电机烧毁
（1）电源线外力拉断和轴头接线盒破裂断线造成的 缺相。电机引线和外接电源电缆，通过滚筒空心轴端的通用接线盒连接，电缆因受外力拉扯导致一相脱落时，就造成电机缺相运行，其余两相带电的绕组电流瞬时增大，在没有可靠的断相、过流保护功能的情况下，电机将迅速过热烧毁。
（2）缺油引起的过热。电动滚筒内部按规定要注入内腔容积1/3 的机械油，来实现内部传动机构和电机的润滑与冷却。在使用过程中，由于管理、检查、维护、检修、作业环境等方面原因，经常出现轴端骨架油封老化、磨损、两侧端盖松动、注油孔螺塞松动等原因引起的漏油。当油位过低或无油时，发现和补充油料不及时，都会造成内部相对运动零件摩擦加剧，温升急剧上升。电机及机械部分工况恶劣，电机定子绕组绝缘快速下降，最后造成电机烧毁，机械零件干摩擦损坏。    
（3）过载。这种情况较为少见，但由于操作人员疏忽大意，前方设备停运时未及时停止皮带机，使机头物料堆积，物料与皮带、滚筒间摩擦阻力增大，时间长了会造成过流和堵转；转载高度和角度不合理下皮带回煤或物料堆积严重等也可能造成电机烧毁。  
（4）其它机械故障引起的过载烧毁电机。
1.2 内部机械零部件损坏
（1）电机齿轮磨损、脱落。电机轴端装有一个小齿轮，在滚筒的传动系统中，它的转速最高，所以磨损的概率也最大；如果电机轴端的卡簧断裂脱落，小齿轮就会很快脱离电机轴，造成滚筒不转。
（2）传动齿轮损坏。多因材质、热处理硬度不够或脆性过大、缺油而引起的过度磨损和掉齿等。
（3）轴承损坏。缺油、换油不及时导致油质不良或者杂油混加使油品变质失去润滑性能等，含有杂质引起轴承滚道异常磨损，而导致的轴承点蚀、相对机械运动表面金属剥离，过热烧死等故障。
（4）筒体内部焊接机架开焊散落，使电机或传动机构失去有效支撑和固定，零部件严重冲击损坏。
           不管哪种原因造成的电机烧毁和零部件损坏，都要更换整个电动滚筒，全部解体后修复更换损坏的零部件。电机装配在筒体内部，除电机绕组能用电工仪表测量外，其余的几乎无法查、维护，烧毁后才更换下来，进行解体大修，重绕定子线圈修复。一般电动滚筒电机断面较小，绕组下线、装配工艺要求高，都需熟练的专业修理人员操作，全部的机械转动零件都在筒体内部，修理、装配空间小，难度较大，修理周期较长，投入费用高。
        针对电动滚筒的高故障率制约生产的瓶颈问题，除了在电器控制上装设灵敏可靠的保护功能，同时加强检查、维护、检修、备用等方面的管理，我们研究改变传统电动滚筒的结构，使传动装置和电动机外置的方案，既改善了传动装置和电动机的工作条件，又极大地方便了检查、维护、检修、更换作业。其基本结构原理见图1。

        
 
2   外置传动的结构思考
      要从根本上改变电动滚筒机械零件检修困难的难题，必须把机械传动部分和电动机设计到筒体外面，同时还要保证滚筒的传动效率、结构的机械强度和安装、检查、维护、检修的方便等诸多方面因素。
      （1）滚筒：采用传统DT 型皮带机滚筒的结构，滚筒直径一般不宜大于500mm，宽度不宜超过950mm （配800mm 皮带）。其筒体轮毂与轴的装配可采用平链连接方式，传动端比非传动端适当加长，以便于传动部件的装配与固定（见图1）。轴与滚筒装配固定后，对筒体外圆精加
工，外圆与轴同心度误差不大于0.05mm，以保证整机传动平稳，摩擦阻力均匀。在输送含水大的物料和上运倾角较大时要使用注胶滚筒。 
      （2）轴承座：非轴伸端可采用传统的盲孔轴承座，材料为铸铁HT25-45 或铸钢ZG230-450，也可采用A3 钢板根据实际形状下料焊接。但轴伸端轴承座要固定传动部件，承载传动机构（减速器）、驱动机械（电动机）的向下的重力和驱动滚筒传动的扭矩，所以它的材料必须选择
铸钢ZG230-450 或A3、Q235 焊接结构等，才能保证传递扭矩所需的机械强度和刚性，其结构和形状见图2。

                  
（3）连接盘：它是安装传动部件的关键零件，所有传动系统的质量全部作用于连接盘4 以及它与轴承座连接的螺栓上（见图2），所以连接盘的材质、加工精度、装配同心度直接关系到传动系统的工作状况和使用寿命，是整个电动滚筒上的关键零件。必须选用A3 或性能相近的材料。连接盘与轴承座的装配，主要依靠定位台阶8 的精确配合，用螺丝5 紧固牢靠。
（4）连接罩筒：如图1，这是一个过渡零件，它要承载整个传动系统的重力作用与滚筒转动的扭矩，所以它的材料宜采用A3 或Q235 等，为了保证滚筒轴与减速器轴的同心度，罩筒两端的装配孔中心必须同心，且两端面必须平行。罩筒19 内部空间要能容纳下滚筒轴与减速器连轴器的体积并稍有余量。
（5）联轴器（如图1）：为了制造方便和通用，可采用传统的尼龙柱销联轴器20，柱销21 的孔径和数量要按所传递的扭矩大小来确定，同时还要考虑在过载时能可靠切断柱销2，起到一定的过载保护作用。
（6）减速器电机（如图1）：如果使用一般摆线针轮减速器，电机26 与减速器25 占据横向空间过大，在狭窄的空间布置困难，经过查阅资料进行比对，选择K77 型斜齿螺旋伞齿轮垂直传动减速器较为适宜，此减速器体积小、重量轻，电机直接装配在减速机壳体上，结构简单、安装方便。它的减速比范围大，同规格型号各种速比都有，容易选出合理的减速比。和同功率的其它减速机相比，它的体积最小，质量最轻。例如11kW 的减速机横向尺寸最大只有210mm，质量为49kg，能满足较小空间的要求和减少对连接盘、罩筒的旋转扭力。它的输出侧为法兰式结构，连接罩筒的一端可按减速器法兰结构尺寸设计，能很方便地进行对接装配。
 
3   设计基本要求
（1）外置传动电动滚筒的主要零部件的设计：要按所配套皮带机的主要参数和设备工况进行计算，在计算时要适当考虑20%~30%左右的过载系数。
 （2）本结构宜选择22kW 以下的功率传递，带宽不宜超过b=800mm，带速不宜超过u=2m/min，皮带机输送倾角小于+8°。
（3）由于结构、质量、固定等方面的因素，必须采用电机与减速机直接装配传动的结构，以避免设备体积、质量过大的问题。当传动功率超过15kW 时，电机或减速器底部要增设附属支撑，轴承座，连接盘和连接罩筒都要按对应的载荷进行加强设计制造。
（4）电器保护要齐全、性能可靠，在断相、过载时迅速断开电源。
（5）一般情况下，要先选择功率小的皮带机进行试验，以5.5-11kW 较为适宜，试运行时间一般按空载1h，50%以下负载2h，逐步加载，并观察检查传动机构工作情况，一切正常后加至满载运行不少于20h。以保证试验结果的准确科学。试运行要达到以下结果：①各运转部件运转平稳，无异常温升，异常振动和异常泄漏；②主机额定输送量时，电机电流不超过额定值；人为断相、过载时电器保护能可靠动作切断电源；③轴承座与机架，各传动部件间的连接紧固无松动；④连接罩筒焊缝无开裂，法兰无变形，两端无明显晃动；⑤联轴器无杂音，柱销无明显磨损等。

4   使用效果
      在地面筛分系统中两台转载皮带机进行了生产性运行。
    （1）皮带机主要参数：B=650mm、v=2m/s、Q=160t/h、L=26m、倾角β=3°-5°，电机功率p=5.5kW，4 级，I=11A；减速器为K67 型斜齿螺旋伞齿轮垂直传动减速机，减速比为21.74，n1 =1450r/min、n2 =66r/min， 驱动滚筒直径为500mm，运送物料为13～30mm 筛分后颗粒状块煤。
    （2）工作时间：每天3 班，每班有效运行时间约为6h，每月25 天，年有效生产时间10 个月，那么皮带机年运行时间为：6×3×25×10=4500h。
    （3）使用条件：地面工业广场，安装在钢架走廊内，无直接淋水，四季自然温度，夏季最高38℃，冬季最低-10℃，冬季更换防冻机油，夏季无降温措施，机头卸载处粉尘较多，卸载空间能满足转载、清理的要求，有喷雾防尘装置，在接线盒处采取防水渗入措施，运量最大140t 左右，电机电流最大为9.5A，无过载和操作失误发生。
    （4）检查维护管理：每班由作业人员日常检查4 次，跟班修理工检查1 次，每周由队班安排专人全面检查一次，发现问题及时维护、保养和检修，每月由专人对电机、控制开关和保护功能试验、电缆、减速器、滚筒等全部检查、检修一次，年终对电机、减速机检查大修。
    （5）连续运行一年时间，无一处零件损坏，无一次电机故障，未出现一次影响系统正常生产。除按规定时间更换减速器机油和日常保养注油外，几乎无其它维修费用发生。直接经济效益和不影响生产的间接经济效益非常明显。
   （6）检查、拆卸：拆除电机时，只需将与减速器固定的安装法兰处的四个螺栓松开，电机即可轻松拆除。拆除减速器时，只需将罩筒连接处的法兰上四个螺栓拆开取下，减速器即可方便拆除，一般稍具机械知识的作业人员，最多10min 就能完成。减速器上有检查孔，打开后可以直观地观察到内部齿轮、轴、部分轴承的使用、磨损情况，即使损坏也可拆开更换，电机属于通用三相异步电动机，检查、检修按常规方法即可。由于工作环境较好，通风散热容易，检查、检修方便，有效地提高了设备的保养、检修效率，降低了检修人员的劳动强度。从根本上杜绝电机烧毁和传动零件因磨损损坏造成停产的事故。
    （7）造价：在有机械加工设备的单位，除减速器、电机、轴承外的零部件都有条件自己制造，购买减速器电机投入约为5000 元，相比较传动电动滚筒的1 万多元的价格，外置传动式滚筒在成本上优势明显。

5    结语
        经过一年多来的运行，传动外置式电动滚筒达到了设计要求，既降低了购买使用成本，又保证了系统生产的安全正常运行，杜绝了不正常机电设备事故的发生和非正常停运造成的损失，提高了系统的运行可靠性和经济效益。