螺旋分級(jí)機(jī)軸斷裂原因分析

何雪梅

合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230051

螺旋分級(jí)機(jī)軸斷裂原因分析

何雪梅

合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230051

針對(duì)鎳鐵合金尾渣濕法重力分選生產(chǎn)線中使用的螺旋分級(jí)機(jī)軸頻繁開(kāi)裂的原因進(jìn)行分析，并著重對(duì)軸的撓度進(jìn)行分析計(jì)算，找出原有軸存在的問(wèn)題，并對(duì)選用的新軸尺寸進(jìn)行撓度復(fù)核計(jì)算。

螺旋分級(jí)機(jī) 軸 無(wú)縫鋼管 撓度

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家水泥產(chǎn)能的日益過(guò)剩，水泥企業(yè)間的生存競(jìng)爭(zhēng)也日趨白熱化。把鋼渣、礦渣作為熟料或水泥生產(chǎn)用的部分原料以降低成本，已被多家水泥生產(chǎn)企業(yè)接納采用。然而，并不是所有工業(yè)廢渣都可以被水泥企業(yè)直接采用，比如鎳鐵合金尾渣，需要分選出貴金屬鎳。

TH公司采用一臺(tái)Φ2.2 m×15 m、斜度為15°的螺旋分級(jí)機(jī)分選鎳鐵合金渣，投產(chǎn)不久，該螺旋分級(jí)機(jī)軸在兩段鋼管對(duì)焊部位旁100 mm處出現(xiàn)徑向裂紋，裂紋長(zhǎng)度從50 mm逐步增長(zhǎng)到100 mm，機(jī)修人員對(duì)此進(jìn)行多次修補(bǔ)后，依舊開(kāi)裂。工廠技術(shù)人員認(rèn)為該軸的加工質(zhì)量存在問(wèn)題，后來(lái)干脆停產(chǎn)重新更換了一根軸，但沒(méi)多久新?lián)Q的軸又出現(xiàn)同樣問(wèn)題，后來(lái)經(jīng)技術(shù)人員對(duì)該軸進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在。本文僅對(duì)螺旋分級(jí)機(jī)軸斷裂原因進(jìn)行分析計(jì)算。

1 設(shè)備的基本情況

1.1 螺旋分級(jí)機(jī)基本參數(shù)

螺旋分級(jí)機(jī)規(guī)格：Φ2.2 m×15 m；直徑：Φ2 200 mm，長(zhǎng)度15 m，斜度15°。輸送物料：鎳鐵合金渣初步重力分選后的濕尾渣，物料容重1.6 t/m3。

輸送能力：75 t/h。

（1）減速電機(jī)：功率45 kW，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，速比17，輸出扭矩6 750· mN 。

（2）齒輪傳動(dòng)副：傳動(dòng)比4.135，輸出轉(zhuǎn)速13.6 r/min，輸出扭矩6 750×4.135η×=29 126 N·m。

傳動(dòng)軸的兩支點(diǎn)間距為15 100 mm+685 mm= 15 785 mm=15.785 m。

1.2 軸的構(gòu)造

軸總長(zhǎng)：16 000 mm，傳動(dòng)段軸采用鍛造，長(zhǎng)度為900 mm，采用三段變徑，由Φ300 mm變至Φ340 mm，再變?yōu)棣?60 mm，焊接在由無(wú)縫鋼管和鋼板焊接制成的另一段軸端蓋上，本段軸總長(zhǎng)為15 100 mm，規(guī)格：530×28，即外徑D=530 mm，內(nèi)徑d=474 mm，壁厚28 mm，材質(zhì)為16Mn。由于無(wú)縫鋼管單管最大長(zhǎng)度為12 500 mm，因此需要再增加一段長(zhǎng)度約為2 500 mm的無(wú)縫鋼管拼接，這次徑向裂縫就產(chǎn)生在靠焊縫100 mm處。

本段軸內(nèi)部支撐采用數(shù)段熱擴(kuò)無(wú)縫鋼管。內(nèi)管原始規(guī)格：450×30，即外徑D=450 mm，內(nèi)徑d=390 mm，壁厚30 mm，材質(zhì)為40Cr，由于無(wú)法與外管匹配，設(shè)備廠家將此管熱擴(kuò)后與外管組裝，熱擴(kuò)后的內(nèi)管外徑為Φ475 mm。

2 軸開(kāi)裂原因分析

2.1 熱擴(kuò)過(guò)程存在隱患

該段軸內(nèi)部支撐用的無(wú)縫鋼管外徑由450 mm擴(kuò)至475 mm，此處理過(guò)程存在以下缺點(diǎn)：

（1）無(wú)縫鋼管經(jīng)過(guò)熱擴(kuò)之后，鋼材內(nèi)部的非金屬夾雜物（主要是硫化物和氧化物，還有硅酸鹽）被壓成薄片，出現(xiàn)分層（夾層）現(xiàn)象。分層使鋼材沿厚度方向受拉的性能變差，并且有可能在焊縫收縮時(shí)出現(xiàn)層間撕裂。焊縫收縮誘發(fā)的局部應(yīng)變時(shí)常達(dá)到屈服點(diǎn)應(yīng)變的數(shù)倍，比荷載引起的應(yīng)變大得多。

（2）不均勻冷卻造成的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是在沒(méi)有外力作用下，內(nèi)部自相平衡的應(yīng)力。各種截面的熱擴(kuò)型鋼都有這類殘余應(yīng)力，一般型鋼截面尺寸越大，殘余應(yīng)力也越大。殘余應(yīng)力雖然是自相平衡的，但對(duì)鋼構(gòu)件在外力作用下的性能還是有一定影響。如對(duì)變形、穩(wěn)定性、抗疲勞等方面都可能產(chǎn)生不利的作用。

（3） 熱擴(kuò)不利于厚度和邊寬的控制。因?yàn)闊崦浝淇s的原因，開(kāi)始的時(shí)候熱擴(kuò)出來(lái)即使是長(zhǎng)度、厚度都達(dá)標(biāo)，最后冷卻后還是會(huì)出現(xiàn)一定的負(fù)偏差，這種負(fù)偏差邊寬越寬，厚度越厚表現(xiàn)的越明顯。因此本設(shè)備采用的熱擴(kuò)管邊寬、厚度、長(zhǎng)度，角度，以及邊線都無(wú)法精確控制。

綜上所述，作為內(nèi)部支撐用的熱擴(kuò)鋼管的質(zhì)量、機(jī)械性能都比原來(lái)的無(wú)縫鋼管要差一些，其質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題后沒(méi)有起到相應(yīng)的支撐和加強(qiáng)作用，這也是該設(shè)備軸出現(xiàn)徑向裂紋的一個(gè)原因之一。

2.2 強(qiáng)度計(jì)算

由于在實(shí)際使用中沒(méi)有出現(xiàn)端部軸的斷裂問(wèn)題，且在使用過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)端部的軸承和軸承座有質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)對(duì)法蘭連接處環(huán)形坡焊縫的剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力，以及螺栓允許承受的剪切應(yīng)力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，均滿足強(qiáng)度要求。

2.3 原軸撓度分析計(jì)算

本軸為輕載長(zhǎng)軸，在使用過(guò)程中出現(xiàn)的軸對(duì)焊處附近100 mm左右出現(xiàn)的徑向裂紋，可能是軸的剛度不足，撓度過(guò)大，因此本文重點(diǎn)對(duì)軸的撓度進(jìn)行分析計(jì)算。

撓度的主要計(jì)算如下：

載荷模型：L＝16 m（支點(diǎn)間的距離，為了方便計(jì)算按照16 m計(jì)算）；Q＝16 000 kg；q＝1 000 kg/m；D＝530 mm；d=474 mm

ymax=5ql4/384 EJ

E=2×106 kg/cm2

Jx=JY=3.14159×(D4-d4)/64=3.14159× (534-47.44)/64=87 728 cm4

Jp=3.14159×(D4-d4)/32=3.14159× (454-394)/32=175 456 cm4

ymaxp=5 ql4/384 EJ=5×10×1 6004/(384×2×106× 175 456)=32 768/(384×2×106×175 456)=2.432 cm

yx.max=5 ql4/384 EJ=5×10×1 60 04/(384×2×106× 87 728)=32 768/(384×2×106×87 728)=4.864 cm

由于螺旋葉片完全不能增加抗撓度的剛性，軸的轉(zhuǎn)速很低，所以計(jì)算中選慣性矩Jx或Jy，所以軸的最大撓度為yx.max=4.864 cm。

如果按旋轉(zhuǎn)軸來(lái)計(jì)算，則要嚴(yán)格地控制撓度值，需要采用極慣性矩Jp計(jì)算剛性。按機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)要求，一般用途的軸的ymaxp=(0.000 3-0.000 5)× L4.8-8.0 mm。

通過(guò)上述，由于原有設(shè)備軸的剛性太差，其撓度已經(jīng)超過(guò)了設(shè)計(jì)要求值的5倍左右，導(dǎo)致軸在超大的撓度下產(chǎn)生交變應(yīng)力，交變應(yīng)力的破壞在這里遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于扭轉(zhuǎn)和剪切破壞，原軸的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理論設(shè)計(jì)要求，需要重新設(shè)計(jì)一根新軸。

2.4 新軸設(shè)計(jì)及軸的強(qiáng)度復(fù)核

（1）新軸設(shè)計(jì)

由于原軸是采用無(wú)縫鋼管來(lái)制作，剛度和強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上鍛造軸的質(zhì)量，因此如果新軸仍采用無(wú)縫鋼管制作，則其外徑尺寸或軸的壁厚要比理論值大，一般大20%左右。

如果按機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)要求，所得結(jié)果見(jiàn)表1。

按一般用途的軸來(lái)設(shè)計(jì)，則該類軸的允許撓度ymaxp=(0.000 3-0.000 5)×L=4.8-8 mm，所選新軸的基本尺寸為：L＝16 m；D≥650 mm；d≤550 mm；壁厚≥50 mm，對(duì)新軸的撓度計(jì)算如下：

Jp=3.14159×(D4-d4)/32=3.14 159× (654-554)/32=854 120 cm4

ymaxp=5ql4/384 EJ=5×10×1 6004/(384×2×106×854 120)=32 768/(384×2×106×854 120)=0.499 5 cm

可見(jiàn)新軸的撓度值符合設(shè)計(jì)規(guī)范中一般用途軸的撓度允許值，軸的剛性滿足要求。

由于目前并沒(méi)有出現(xiàn)端部軸的斷裂問(wèn)題，因此對(duì)于端部的軸承和軸承座不需要改變。也就是說(shuō)，在整個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，只需要更換軸就可以改變目前在使用中斷軸的狀況。

（2）增大軸的尺寸后復(fù)核：

重量增加：新軸重量：11 756 kg；老軸重量：4 936 kg；重量增加：6 820 kg；q=(16 0 00+6 820)/16= 1 426 kg/m

ymaxp=5ql4/384 EJ=5×14.3×1 6004/(384×2*106×854 120)=4 6 858/(384×2×106×854 120)=0.714 3 cm

由于鋼管必須要選標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品， 選擇的無(wú)縫鋼管尺寸為D 660×65 mm，然后重新核算撓度值Jp=3.141 59×(D4-d4)/32=3.141 59× (664-534)/32=1 088 193 cm4

表1 軸的允許撓度yp及偏轉(zhuǎn)角θp

ymaxp=5ql4/384 EJ=5×15.5×1 6004/(384×2×106×1 088 693)=32 768/(384×2×106×1 088 693)=0.606 6 cm≤ymaxp=4.8-8 mm。

可見(jiàn)新軸撓度在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)。

后期工廠重新設(shè)計(jì)該分級(jí)機(jī)，加大軸的尺寸，調(diào)整軸的結(jié)構(gòu)，新設(shè)備投入使用后再?zèng)]有出現(xiàn)類似情況。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于采用無(wú)縫鋼管作為輕載長(zhǎng)軸時(shí)，一定要選用質(zhì)量較好的無(wú)縫鋼管，最好不要采用熱擴(kuò)管。同時(shí)要將軸的剪應(yīng)力、切應(yīng)力、撓度、焊縫強(qiáng)度等進(jìn)行一系列計(jì)算作為軸的設(shè)計(jì)和選型依據(jù)，防止因盲目設(shè)計(jì)導(dǎo)致生產(chǎn)中故障不斷，給使用單位帶來(lái)的直接和間接損失較大。

[1] 張曼.T公司生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量改進(jìn)研究[C].天津大學(xué)碩士論文.2013.11:P40-P42.

[2] 邵光帥.熱變體中奧氏體不銹鋼裂紋的敏感性評(píng)價(jià)[C].蘭州理工大學(xué)碩士論文.2014.04:P3.

[3] 成大先(主編).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版第2卷) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

2015-10-08）

TQ172.6

B

1008-0473(2015)06-0067-03

10.16008/j.cnki.1008-0473.2015.06.017