兖州煤业鄂尔多斯能化荣信化工有限公司输煤系统所用3#、4#皮带机采用电机驱动液力耦合器减速机，减速机驱动皮带，工况为间歇运行，据锅炉系统需求每班上煤时间2～3 h。3#、4#皮带机输送量 1050 t/h，电动机（Y2，315M2-4）160 kW、380 V，减速机B3SH9+F+B，耦合器YOXSY EZ500，制动器BYWZ5-400/121，逆止器NJ160、联轴器ZL11，提升高/长则分别为21/98 m与22/92 m。
1.断轴故障及原因分析
2013年9月，皮带输送机电机在试运行期间正常运行130多小时后，3#、4#皮带机电机轴相继断裂。3#、4#皮带机设备配置相同，电机轴断裂部位相同，断裂截面（轴径Φ80 mm过渡至Φ75 mm的轴肩截面）形状相似，2/3断裂截面较为光滑，其余1/3断裂截面较为粗糙，据截面外观初步判断是加工方面的原因，即运转过程中因应力集中（变径处异常尖锐）产生微小裂纹，裂纹逐步加深，形成约占轴截面2/3的光滑面，裂纹扩展到2/3左右界面后，剩余面积承受载荷超过材料屈服极限而瞬间撕裂后造成较粗糙的截面。为确认如此短的时间内出现电机轴断裂的真正原因，我们进一步从皮带机电机轴加工工艺、轴材质等方面进行了彻底分析。
（1）从轴断裂截面分析，发现断裂的轴肩过渡部位为直角，基本没有圆滑过渡，极易造成应力集中。
（2）从电机轴制造材质上看，材质为45#钢，轴径Φ75 mm，检测轴的表面硬度为210HBS左右，硬度值偏低（一般调质处理后的45#钢表面硬度可达25HRC左右），经查询设备资料及询问厂家后发现，轴未经过热处理。45#钢热处理前抗拉强度≥600 MPa，屈服强度≥355 MPa；而经过调质处理可以获得较高的强度和韧性等，Φ75 mm的45#钢经850 ℃淬火+550 ℃回火调质处理后，其抗拉强度≥700 MPa，屈服强度≥450 MPa。
（3）皮带传动结构分析。由于电机功率超过150 kW，按常规，设计院设计人员选择的启动方式为降压启动（软启动），加速时间设定为16～20 s。而皮带制造厂家也按照《运输机械设计选型手册》配置了限矩型液力耦合器，也具有延时缓慢启动功能。电机通过液力耦合器带动减速机驱动皮带机运行，在电机受电后，缓慢启动，经20 s后达到额定转速，负载加速力矩逐渐增大，同时电机轴受耦合器的反向扭矩逐渐增大，导致电机与耦合器之间轴段在较长时间存在加速过程，又由于耦合器输入轴与输出轴间依靠润滑油驱动，相对运动之间存在滞后性，造成在软启动器与液耦启动达到额定转速的过程中，电机加速与液耦滞后相互作用影响，电机轴截面频繁发生应力方向的变化及大小的波动，且皮带启动时为重载，极易造成局部应力超出材料的屈服极限。同时，由于是试车阶段，虽然皮带总运行时间较短，但频繁启停的次数远远大于系统正常运行的启停次数，造成裂纹扩展加剧。
综上所述，重负载运行电机轴，由于在轴径Φ80 mm过渡至Φ75 mm的轴肩截面存在加工造成的应力集中，运行中出现微小裂纹，受电机软启动与液力耦合器延时滞后作用的相互叠加，加之电机轴（材质45#钢)未进行调质处理，使电机轴因应力集中而造成裂纹逐渐扩展，当裂纹扩展到截面的约2/3处，剩余面积承受载荷超过材料的屈服极限强度而瞬间撕裂，最终造成断轴。
2.改进方案
（1）取消液力耦合器，保留电机软启动，联轴器与减速机改成直连的连接方式。
（2）电机轴肩处在加工时注意圆滑过渡倒角，并严格按制造工艺要求对电机轴进行调质处理，增强其综合机械性能。
3.改进效果
经过上述改进后，3#、4# 皮带机已运行1 a，工况稳定，再未出现电机轴断裂故障。
（荣信化工 左志强 孙清涛）