皮带输送机电机轴断裂分析及预防措施

摘要：在港口码头及钢铁行业中，皮带输送机多用于块状或粒状物物料的输送，是各工艺设备之间构成连续生产的关键纽带，实现了生产过程连续性和自动化，提高劳动生产率和降低劳动强度，具有生产率高、运输距离长、可实现多点装卸料、动力消耗低、结构简单、工作平稳可靠、操作方便等优点，因而获得广泛使用。皮带输送机电机轴断裂故障是电机故障中的一种，本文针对原料场电机断轴事故的原因进行研究与分析，并提出相应的改进措施，以保证皮带运输机电机的安全稳定运行,在提高物料运输效率的同时,实现其安全高效生产。

关键词：皮带输送机；电机；轴；断裂； 引言

大型综合原料场作为钢铁厂物料转运的枢纽，实现与码头、球团、烧结、炼铁、焦化等对接。在原料场生产中，皮带输送机是十分重要的设备，一旦发生故障，对原料场的安全生产、保供保卸造成严重影响。三相鼠笼异步电动机作为皮带输送机的驱动输出，因而其成为皮带输送机的重要组成部分。原料场环境比较差，工况恶劣，电动机长期运行在其环境中，导致各种故障时有发生，运行中的电机转轴断裂也成为其常见故障的一种。

1断轴故障经过

2020年8月，原料场卸煤系统XM皮带机及上游皮带跳停，检查发现M皮带机在电脑画面显示运行状态，但现场M皮带驱动电机在运转，其耦合器却未运转。由此判断M皮带机在正常运行时电机输出轴在负荷端轴肩处已断裂。查看高压综保后台记录，该电机正式投入使用未满一个月，从投入使用到发生断轴事故期间的电流在9.5A左右，电流曲线基本平稳。该皮带机传动结构采用“电机+液力耦合器+减速机”的驱动形式，高压电机的相关参数如表1所示。

表1 M皮带驱动高压电机参数

技术参数 数据 技术参数 数据 型号 YXKK450-4 防护等级 IP55 额定功率 500 kW 接法 Y 额定电压 10 kV 绝缘等级 F 额定电流 33.8 A 安装方式 B3 转速 14 r/min 频率 50 Hz 2 断轴材质、性能检验分析

电机轴断裂发生在轴与液力耦合器连接交界处，轴的断裂面存在不平整状的扭曲截面，在断裂的轴肩过渡部位的过渡圆角比较小,同时电机轴键槽也开到轴肩处。

通过查阅该电机的出厂技术手册，得知断轴电机的转轴采用45#热轧圆钢铸造而成，化学成分执行GB/T 699-2015标准，力学性能执行0A500.077-2017企业标准，其工艺制作流程为：落料Φ220×2475 mm经过热处理（正火850℃均热目测+保温2.5小时、回火580℃均热目测+保温6小时）、粗加工、半精车、精车。

分析内容 试验方法 仪器设备 宏观断口分析 微观分析 分析 肉眼或LEICA M205A体视显微镜 肉眼或LEICA M205A体视显微镜 JY/T 010-1996《分析型扫描电子显微镜方法通则》 Quanta400FEG扫描电子显微镜（SEM） 显微金相分析 非金属夹杂物 组织 GB/T 13298-2015《金属金相组织检验方法》 ZEISS Observer Zlm光学显微镜 GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物显微评定方法》 GB/T 20123-2006《钢和铁总碳及总硫量的测定感应炉中燃烧后的红外吸收法（常规法）》 化学成分分析 GB/T 4336-2016《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法（常规法）》 仪 CS901B红外碳硫ARL4460光电直读光谱仪 力学性能 拉伸试验 GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》 Zwick拉伸试验机 冲击试验 GB/T 229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》 ZBC-2302冲击试验机 2.1试验方法和仪器设备

2.2检验过程及结果 2.2.1宏观形貌观察

对电机断轴进行宏观分析，结合生产图纸分析其断裂部位位于图1中所示的过渡R处。断口宏观形貌见图2，从图2中可知，断轴裂纹起源于过渡R—圈，呈线源特征，裂纹源区可见台阶特征；图2中箭头所示的虚线圆形区域为最后断裂区，位于断口中间部位；疲劳扩展区较为平坦，可见贝纹线特征。因此断轴的断口宏观形貌特征符合旋转弯曲疲劳断裂。

图1断裂部位示意图 图2断口宏观形貌 2.2.2化学成分测定

在电机断轴上提取样品进行化学元素的定量分析，检测结果见表2。从表2分析结果来看，断轴的化学成分符合GB/T 699-2015标准中对45#钢的技术要求。

表2化学成分分析结果(％)

元素 实测值 GB/T 699-2015 标准中对45#钢的技术要求 判定 碳（C） 0.48 0.42-0.50 符合 硫（S） 0.008 ≤0.035 符合 磷（P） 0.013 ≤0.035 符合 锰（Mn） 0.59 0.50-0.80 符合 硅（Si） 0.23 0.17-0.37 符合 铬（Cr） 0.020 ≤0.25 符合 镍（Ni） ＜0.009 ≤0.30 符合 铜（Cu） 0.018 ≤0.25 符合 2.2.3力学性能检测

分别在电机断轴的1/4直径处，以及距离表面10mm处(参考热处理时圆钢外径220mm, 断裂段的外径为130mm,因此相对热处理时1/4直径位置为距离表面10mm处)取纵向力学性能试样，检测结果见表3,从表3可以看出该断轴的力学性能满足0A500.077-2017标准。

表3力学性能分析结果

1/4直检测项目 径处测试结果 距离表面10mm处测试结果 0A500.077-2017 标准中对45#钢的技术要求 抗拉强度(Rm)MPa 308 298 ≥285 规定塑性延伸强度(ReL)MPa 599 604 ≥570 断后伸长率(A)% 25.5 24.0 ≥15 断面收缩率(Z)% 45 42 ≥36 冲击吸收能量(J) 38 42 40 37 39 40 ≥30 2.2.4断口SEM形貌观察

截取电机断轴断口试样，放置于扫描电子显微镜下观察，试样裂纹源区SEM形貌、裂纹扩展区SEM形貌在低倍数下较为平坦，高倍数下可见疲劳辉纹；最后断裂区SEM形貌见呈韧窝特征。

2.2.5 断口剖面金相分析

断口剖面在裂纹源区截取垂直于断口的剖面试样，经镶嵌、磨抛后放置于光学显微镜下观察，试样抛光态非金属夹杂物形貌,并按GB/T 10561-2005标准中实际检验A法评定试样非金属夹杂物级别，结果为：A1.5，A0.5e，B0，C0，D1，D1e，DS1.5。试样经化学试剂侵蚀后继续观察，试样断口处显微组织为：珠光体+铁素体，断口处剖面显微组织形貌无异常现象。

2.2.6 检验结果

电机断轴的化学成分符合GB/T 699-2015标准对45#钢技术要求。基体显微组织为：珠光体+铁素体，无异常。在1/4直径和距离表面10mm处分别取样的力学性能符合0A500.077-2017企业标准。

通过电机断轴断口的宏观形貌分析可知，断裂起源于过渡R处，裂纹源区位于R处一周，可见多处台阶特征，呈线源特征；裂纹扩展区可见贝纹线，为疲劳断裂的宏观形貌特征；最后断裂区位于断口中间部位。通过断口的微观SEM形貌分析可知，裂纹扩展区可见疲劳辉纹，符合疲劳断裂的微观形貌特征，最后断裂区呈韧窝特征。因此综合断口的宏观和微观分析结果可知，该电机断轴断裂性质为旋转弯曲疲劳断裂。电机在运行时，过渡R处为应力集中区域，容易萌生微裂纹。当轴有不同的尺寸截面时，交变应力的作用会集中在轴截面积突变处，轴肩过渡处是整根轴的薄弱环节，容易发生疲劳扩展形成微观裂纹导致断裂。

3 断轴电机安装质量分析

首先，现场检测电机与减速机同轴度数值偏大，上下相差2.5mm，安装对中不当，电机与耦合器、减速机不同心，致使电机轴承受了比预期设计要大的径向载荷。在电机轴与耦合器输入端接手处相对薄弱的位置载荷偏大时，产生金属疲劳；当电机轴伸端所承受的径向负载太大时，就会造成电机轴在径向上有弯曲变

形。在持续的外加交变应力作用以及复杂恶劣的运行工况下，电机与耦合器、减速机不同心导致轴在径向的受到周期性循环的力，让电机轴加速断裂，通常电机轴断裂位置就在电机端盖内侧紧挨轴承的轴肩过渡处。

其次，现场耦合器设置安全防护罩，防护罩上无观察孔，无法及时发现辅助轴承螺杆紧固不好，造成螺杆松脱，导致辅助轴承座有移位现象。

此外，电机通过液力耦合器拖动减速机驱动皮带输送机运行，在电机通电后，皮带输送机缓慢启动，电机达到额定转速，负载加速力矩会逐渐变大，同时电机轴受到耦合器的反向扭矩也会逐渐变大，致使电机和耦合器之间的轴段在很长时间内存在加速过程，又由于耦合器的输入轴与输出轴之间依靠润滑油进行驱动，相对运动之间存在滞后情况，造成在电机启动达到额定转速这一过程中，由于电机加速与耦合器滞后的作用互相影响，造成电机轴截面频繁发生应力方向以及大小的波动，极易造成局部应力超出电机轴材质的屈服极限。进而在轴肩过渡的轴截面处出现微小裂纹，电机长时间运行致使微小裂纹逐渐扩张，最终导致电机轴断裂。

4 断轴原因及预防措施

经过上述的分析以及现场实际的检查，造成此次电机断轴的主要原因是电机安装过程同心度调整不当，偏差较大，电机轴在径向弯曲变形，电机运行中在轴肩过渡处应力集中，发生疲劳扩展形成微观裂纹，当裂纹扩展到轴截面的一定程度，电机轴所承受的载荷超过预期设计载荷及屈服极限强度而瞬间断裂，造成断轴现象。

结合原因分析，针对电机断轴故障提出以下几点预防措施：

（1）把控好电机的设计制造，运用优良的生产处理工艺，采用锻造轴，通过对转轴材料进行调质，电机轴肩处应该有足够的圆弧过渡，不允许存在退刀槽，减轻应力集中影响，提高转轴的整体性能；

（2）加强施工质量把关，逐级验收，设备同心度调整采用专业测量设备辅助，及时记录好振动、偏离量等相关数据；

（3）加强日常点、巡检，电机的测振、测温装置投入使用，上位机数据异常报警及历史曲线查询完善，运用多种检测手段从自动化、信息化层面上及时了解现场设备的运行状态，提早发现设备隐患；

（4）定期对电机进行维护，做好维修记录，增加对电机转轴的专项检查，做好对转轴的性能及疲劳程度的评估；

（5）改变传动结构形式，取消耦合器或将耦合器放置于减速机前，电机启动采用软启动器或变频器，联轴器与减速机采用直接连接的形式等。

5 结束语

皮带输送机电机断轴是一种常见的电机故障，其发生的原因具有多样复杂性，需要从电机结构、材料选型、系统设计、运行维护等综合多方面进行考究，而且各影响因素之间密切关联。综合分析清楚电机断轴的细节原因后，多措并举，有效确保现场电机设备的稳定运行，对整体系统的安全稳定生产有着重要保证，对企业的创益增效有着重要影响。

参考文献 1.

田野.某热电厂锅炉风机电机断轴事故的分析及处理[J].现代工业经济和信息化,2019,9(08):128-129.

2.

左志强,孙清涛,段小蒙.皮带输送机电机断轴原因分析与改进[J].山东化工,2016,45(06):92-94.

3.

崔程鹏,崔学录.由一起皮带轮电机断轴事故引发的思考[J].电机技术,2021(03):38-41+44.

作者简介：林志豪（1994-），男，汉族，广西梧州人，本科，自动化助理工程师，研究方

向电气工程及自动化。