WK-35 電鏟中央樞軸液氮冷裝工藝研究

李韞劍

（中煤平朔集團(tuán)有限公司露天設(shè)備維修中心，山西朔州 036006）

WK-35 電鏟適用于年產(chǎn)量1 500 萬(wàn)t 以上的大型露天礦山的巖石剝離和物料采裝作業(yè)，為大型礦用機(jī)械正鏟式挖掘機(jī)，可與載重量為172～263 t 的礦用自卸卡車相配套，標(biāo)準(zhǔn)斗容為35 m3，生產(chǎn)效率可達(dá)4 200 m3/h。中煤平朔集團(tuán)近年來(lái)采購(gòu)多臺(tái)WK-35 電鏟來(lái)替代原有的老舊電鏟，在組裝電鏟時(shí)，中央樞軸的安裝為大過(guò)盈量連接，通常采用液氮作為冷凍介質(zhì)進(jìn)行冷裝[1-3]。

中央樞軸過(guò)盈裝配就是利用材料的熱脹冷縮性能使中央樞軸（被包容件）進(jìn)行液氮冷卻收縮后，安裝于中央樞軸孔（包容件）內(nèi)，當(dāng)被包容件（中央樞軸）恢復(fù)至室溫時(shí)，產(chǎn)生對(duì)包容件的漲緊力，使2 個(gè)部件連接。當(dāng)金屬在彈性限度內(nèi)變形時(shí)，總有一個(gè)恢復(fù)變形的力存在，恢復(fù)力形成作用在兩配合面上的正壓力。正壓力越大，中央樞軸就越不容易脫落，可傳遞較大的扭矩、軸向力或者兩者復(fù)合的載荷。這種聯(lián)接的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)中性好，承載能力強(qiáng)，能承受較大的交變載荷和沖擊力[4]。

圖1 外徑千分尺

圖2 內(nèi)徑千分尺

1 冷裝工藝分析

1.1 冷裝時(shí)所需的軸孔最小間隙的計(jì)算

冷裝時(shí)所需的軸孔最小間隙經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)[5]為

式中：δ1為冷裝時(shí)所需的軸孔最小間隙，mm；d為配合直徑，mm。

考慮中央樞軸與底盤(pán)的配合長(zhǎng)度、裝配時(shí)長(zhǎng)以及裝配時(shí)中央樞軸易吸熱膨脹，實(shí)際裝配時(shí)軸孔的最小間隙應(yīng)為（1.2-1.5）δ[6]。中央樞軸配合直徑為508 mm，由式（1）可知將冷裝時(shí)所需的最小間隙定為0.80 mm。

1.2 中央樞軸冷裝時(shí)的溫度計(jì)算

冷裝時(shí)的溫度可用下式計(jì)算

式中：t為冷卻溫度，℃；e為中央樞軸的外徑冷縮量，等于最大過(guò)盈量與冷裝時(shí)的軸孔最小間隙之和，mm；k為材料的線膨脹系數(shù)，合金鋼取k=-1.2×10-5℃；df為配合直徑，mm。

計(jì)算得：t=（0.22+0.80）/（-1.2×10-5×508）=-167.3 ℃。

冷凍介質(zhì)通常使用干冰（CO2）和液氮（N2）。干冰在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓即101.325 kPa 下，溫度為-78.5 ℃，溫度升高直接升華，不會(huì)形成液體。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓即101.325kPa下，液氮沸點(diǎn)為-195.8 ℃，呈液態(tài)。2 種物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)味、無(wú)毒、不自然助燃，根據(jù)式（2）計(jì)算冷卻溫度可知，這里應(yīng)選擇液氮為冷凍介質(zhì)。

1.3 中央樞軸冷縮量的計(jì)算

中央樞軸的材料為40CrNiMo 合金鋼，冷縮劑選擇液態(tài)氮，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓即101.325 kPa 下，液氮沸點(diǎn)為-195.8 ℃，中央樞軸冷縮量可由下式計(jì)算

式中：δ2為中央樞軸冷縮量，mm；t為冷卻溫度，液氮為-195.8 ℃；t0為裝配環(huán)境溫度（10 ℃）；k為材料的線膨脹系數(shù)，合金鋼取k=-1.2×10-5℃。

由已知數(shù)據(jù)可得，δ2=1.256 mm。

1.4 中央樞軸過(guò)盈配合下的力學(xué)計(jì)算

中央樞軸與中央樞軸孔（電鏟底盤(pán)）的變形為彈性變形，根據(jù)Lame 公式[8]，代入表1 中合金鋼的各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)，可計(jì)算其過(guò)盈配合面的壓強(qiáng)

表1 材料的力學(xué)性能參數(shù)

式中：p為中央樞軸與中央樞軸孔的徑向壓強(qiáng)，MPa；δ為中央樞軸與中央樞軸孔的過(guò)盈量，mm；df為配合直徑，mm；Ea為中央樞軸孔（電鏟底盤(pán)）的彈性模量，MPa；Ei為中央樞軸的彈性模量，MPa；Ca和Ci分別為中央樞軸孔與中央樞軸的剛性系數(shù)，公式如下

式中：rp為中央樞軸孔半徑；rf為配合半徑；rb為中央樞軸內(nèi)徑；Va和Vi分別為中央樞軸孔與中央樞軸的泊松比。

此次裝配，中央樞軸孔外徑即電鏟底盤(pán)尺寸dp與配合半徑df之比（dp/df）較大，公式（5）中rf/rp可忽略不計(jì)。由表1 數(shù)據(jù)計(jì)算可得p=51.28 MPa，滿足設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)采掘使用要求。

1.5 中央樞軸冷凍后回溫時(shí)間的估算

中央樞軸在液氮中完全冷凍后，取出置于空氣中，然后裝于中央樞軸孔中，該過(guò)程中，定位銷首先與空氣發(fā)生熱傳遞，然后與中央樞軸孔內(nèi)壁發(fā)生熱傳遞，直至中央樞軸吸熱膨脹與中央樞軸孔完成過(guò)盈配合。

由表1 可知，中央樞軸（材料為40CrNiMo）導(dǎo)熱系數(shù)取45 W/（m·k），在相對(duì)靜止的環(huán)境中，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.023 W/（m·k）。當(dāng)液氮冷凍后的中央樞軸剛裝入中央樞軸孔時(shí)，由于存在1.03 mm 的間隙，此時(shí)中央樞軸與孔未完全接觸，隨著中央樞軸吸熱，其表面會(huì)迅速凝霜，凝霜與中央樞軸孔接觸后，其熱傳導(dǎo)與膨脹速度呈指數(shù)增漲，快速完成過(guò)盈配合。

由文獻(xiàn)[9]知，冷凍后的中央樞軸在空氣中10 min，回溫約為0.02 mm，40CrNiMo 導(dǎo)熱系數(shù)約為空氣的1 950倍。粗略估計(jì)，中央樞軸接觸中央樞軸孔內(nèi)壁O=15 min后將膨脹1 mm 左右，即此次裝配應(yīng)控制在15 min 內(nèi)。

2 中央樞軸安裝實(shí)施步驟

清理中央樞軸及底盤(pán)中央樞軸孔，保證接觸面的光潔度。

將中央樞軸吊入準(zhǔn)備好的容器（工裝）（圖3）內(nèi)，加注液氮（圖4）。在中央樞軸放入盛有液氮的工裝時(shí)需要注意：①冷凍過(guò)程中應(yīng)持續(xù)向工裝內(nèi)加注液氮，以補(bǔ)存蒸發(fā)掉的液氮；②在加注液氮時(shí)，保證液氮液位沒(méi)過(guò)中央樞軸而不超過(guò)U 型吊環(huán)，防止吊環(huán)長(zhǎng)時(shí)間浸泡在低溫液體中韌性降低，在吊裝過(guò)程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象；③吊裝中心樞軸應(yīng)選擇全新合成纖維索具而非金屬索具，以提高在低溫環(huán)境下的安全系數(shù)。

圖3 工裝實(shí)物圖

圖4 中央樞軸冷凍圖

待液氮表面平靜或液氮完全不沸騰時(shí)進(jìn)行裝配作業(yè)，此時(shí)中央樞軸溫度接近液氮沸點(diǎn)-195.8 ℃時(shí)，由式（3）可知，此時(shí)中央樞軸冷縮量為1.256 mm，軸孔間隙為1.03 mm，間隙較大?，F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，用吊車吊平，直接落入中央樞軸孔內(nèi)即可，落入后安裝下部卡蘭，卡蘭裝好后，吊車上行，使卡蘭上表面與中央樞軸孔下表面完全貼合，兩表面間隙應(yīng)小于0.05 mm。為防止吊車泄壓導(dǎo)致中央樞軸下落，在中央樞軸下方采用電動(dòng)液壓千斤頂支撐，保持液壓千斤頂壓力為3 000 psi，直到中央樞軸恢復(fù)到環(huán)境溫度方可撤掉吊車和液壓千斤頂，中央樞軸安裝實(shí)物圖如圖5 所示。

圖5 中央樞軸安裝實(shí)物圖

安裝時(shí)需注意：①要保證足夠的冷卻時(shí)間，若冷卻時(shí)間過(guò)短，會(huì)造成中央樞軸冷縮不到位，裝配間隙不滿足要求，導(dǎo)致裝配時(shí)出現(xiàn)卡死的情況。由于該中央樞軸尺寸大、重量重，裝配過(guò)程中調(diào)整困難，調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)。為避免裝配時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成中央樞軸吸熱膨脹，導(dǎo)致裝配中途因間隙小或無(wú)間隙卡死，需要多工種協(xié)同作業(yè)，以縮短裝配時(shí)間。②在安裝中央樞軸下部卡蘭及在支放液壓千斤頂時(shí)要保持良好的通風(fēng)，可以臨時(shí)加裝一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，避免因氮?dú)鈸]發(fā)導(dǎo)致的氧氣含量減少，操作人員發(fā)生窒息的危險(xiǎn)。③在測(cè)量中心樞軸冷卻后的軸徑時(shí)，要戴好加厚手套，并保證手套是松動(dòng)的。

3 結(jié)論

WK-35 電鏟中央樞軸的液氮冷裝為WK-35 電鏟組裝中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在冷裝過(guò)程中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面。

1）在安裝前應(yīng)測(cè)量和計(jì)算好中央樞軸及樞軸孔的尺寸數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析確定裝配方案。

2）中央樞軸在液氮中的冷卻時(shí)間應(yīng)足夠，因中央樞軸過(guò)盈冷裝具有不可逆性，需避免中央樞軸在裝配過(guò)程中因升溫膨脹卡死。

3）安裝中央樞軸時(shí)需在較短時(shí)間內(nèi)（15 min）完成，因此，在該工序前需做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，保證安裝完成率。

此次安裝中央樞軸是在露天設(shè)備維修中心的統(tǒng)一布署下，中心和電鏟車間的技術(shù)人員與太重集團(tuán)礦山分公司的專家多次研究探討，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，順利進(jìn)行了中央樞軸的安裝，并梳理總結(jié)了此工作的工藝流程，為其他型號(hào)電鏟的中央樞軸安裝積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)為露天采礦設(shè)備維修和研發(fā)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。