周 為，周文超

(宜賓職業(yè)技術(shù)學院，四川 宜賓 644003)

1 PCS-5型立式粉碎機結(jié)構(gòu)及工作原理

PCS-5型立式粉碎機是四川宜賓金齒輪有限責任公司系列蜂窩煤機指定配套設備，用于將煤塊破解并傳輸至蜂窩煤機壓制成不同規(guī)格大小成品。該機具有結(jié)構(gòu)簡單，操作維修方便，機械安裝占地面積小，單位功率粉碎比大，易于調(diào)節(jié)粉碎粒度，且可連續(xù)閉路粉碎等優(yōu)點。自投產(chǎn)以來，累計生產(chǎn)數(shù)百臺，獲得蜂窩煤機用戶認可。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

PCS-5型立式粉碎機主要由電機(7.5 kW)、機體、間隙調(diào)整裝置、轉(zhuǎn)子部等結(jié)構(gòu)單元組成。機體由料斗、筒體用鋼板焊接而成，筒體設計有一對活門，用于安裝維修之用；間隙調(diào)整裝置通過調(diào)整錘頭與筒體內(nèi)襯板之間的間隙；轉(zhuǎn)子部主要由主軸、轉(zhuǎn)盤、軸承、軸承座、錘頭組成。

1.2 工作原理

PCS-5型立式粉碎機粉碎原理為：煤塊通過料斗進入粉碎機筒體后，受到高速旋轉(zhuǎn)錘頭撞擊而首次破碎；較小煤塊在離心力的作用下，高速沖向筒體內(nèi)襯板，經(jīng)過內(nèi)襯板的反彈，再次被錘頭破碎。與此同時，煤塊之間也相互撞擊。如此反復，最終形成質(zhì)量較小的煤炭顆粒從出料口排出，破碎細度可通過調(diào)整錘頭與筒體內(nèi)襯板間隙大小來實現(xiàn)。

2 問題及分析

PCS-5型立式粉碎機自作為蜂窩煤機配套設備投放市場以來，質(zhì)量信息反饋顯示：使用總體正常，但故障時有發(fā)生，個別用戶甚至要求退貨。根據(jù)2010年1～6月售后維修記錄統(tǒng)計，對各結(jié)構(gòu)部故障及轉(zhuǎn)子部故障細分情況分析如表1、2所列。

表1 PCS-5型立式粉碎機各結(jié)構(gòu)部故障率 /%

表2 轉(zhuǎn)子部各組件故障率 /%

根據(jù)表1和表2不難看出，“轉(zhuǎn)子部”在粉碎機各結(jié)構(gòu)部故障率最高，而“軸承失效”又是“轉(zhuǎn)子部”的“重災區(qū)”。實際上，轉(zhuǎn)盤銷孔變形、錘頭磨損，都會導致旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量分布不均產(chǎn)生動不平衡，這種對轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生的周期性沖擊動載荷(撓力)一旦超過容許值，就會發(fā)生機器振動、軸承發(fā)熱失效。理論的分析同售后維修人員記錄故障情況相吻合：機器產(chǎn)生輕微振動伴有異響聲、軸承部位發(fā)熱燙手(已經(jīng)超過60 ℃)、振動異響變大、電路開關(guān)跳閘、主軸“抱死”、電機燒毀。

造成PCS-5型立式粉碎機軸承過熱失效的原因主要有：電機轉(zhuǎn)子同主軸不同心、轉(zhuǎn)盤質(zhì)量偏小、操作者班后養(yǎng)護不佳等三方面。

2.1 電機轉(zhuǎn)子軸同主軸不同心問題

2.1.1電機轉(zhuǎn)子軸同主軸不同心分析

(1) 轉(zhuǎn)子靜平衡和動平衡分析 立式破碎機轉(zhuǎn)子不平衡有兩種情況：①轉(zhuǎn)子重心不在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸上， 此時，必然產(chǎn)生靜力不平衡； ②轉(zhuǎn)子主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線交錯， 且相交于轉(zhuǎn)子的重心上， 即回轉(zhuǎn)中心線與其幾何中心線相交， 當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時， 則產(chǎn)生不平衡力矩， 出現(xiàn)動力不平衡現(xiàn)象。這兩種不平衡現(xiàn)象都對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生很大的動載荷 (即撓力) 從而引起機器的振動，使主軸、 軸承、 軸承座等零部件受力惡化。轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡離心力大小通過以下公式[1]計算：

式中：C為不平衡離心力(kg)；G為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量(kg)；e為轉(zhuǎn)子重心對旋轉(zhuǎn)軸的偏心距(mm)；ω為轉(zhuǎn)子的角速度( rad/s)；g為重力加速度。

圖1 軸聯(lián)接示意圖

(2) PCS-5型立式粉碎機傳動結(jié)構(gòu)分析 PCS-5型立式粉碎機傳動結(jié)構(gòu)如圖1所示，電機通過聯(lián)軸套同主軸硬連接。這樣就存在兩個不同心誤差：聯(lián)軸套同主軸產(chǎn)生一個聯(lián)接誤差，隨后同電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生另一個聯(lián)接誤差。兩個聯(lián)接誤差迭加形成累積誤差的大小，取決于制造質(zhì)量、零件設計和裝配精度。

由于粉碎機轉(zhuǎn)子部各零件為全尺寸加工，且尺寸加工精度不低于IT3級、表面粗糙度不低于Ra12.5,因此，可以認定：轉(zhuǎn)子部各組件質(zhì)量均勻分布，其重心和旋轉(zhuǎn)軸重合，產(chǎn)生的靜不平衡沖擊忽略不計[2]。

2.1.2電機轉(zhuǎn)子軸同主軸不同心的改進措施

(1) 聯(lián)接套的改進。聯(lián)接套的設計雖然提高了機械加工工藝性，卻帶來了裝配聯(lián)接誤差。經(jīng)過多次討論，決定取消聯(lián)接套、改為在主軸端面鏜孔與電機轉(zhuǎn)子軸頸聯(lián)接。

(2) 為了選定電機轉(zhuǎn)子軸頸與主軸孔配合公差數(shù)據(jù)，經(jīng)過反復試驗發(fā)現(xiàn)：隨著配合間隙增大，裝配容易，電機軸承、主軸軸承溫度下降，小于40 ℃，符合設計使用要求；但是，當配合間隙超過0.10 mm后，會加劇對聯(lián)接平鍵及其鍵槽的沖擊磨損。因此，優(yōu)化的間隙配合公差范圍以+0.05～+0.08 mm為宜。試驗數(shù)據(jù)見表3所列。

表3 裝配公差試驗數(shù)據(jù)表

2.2 轉(zhuǎn)盤質(zhì)量偏小

2.2.1轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動慣量分析

PCS-5型立式粉碎機轉(zhuǎn)盤由6塊組成、總重30kg，用于懸掛錘頭。粉碎機工作時，如果煤塊偏大且加料不均勻，會對轉(zhuǎn)子部造成較大的沖擊載荷。這種現(xiàn)象持續(xù)1 h后，軸承溫度會升高30℃。解決方法有兩個：在主軸上加裝一個飛輪以蓄能，或加大轉(zhuǎn)盤直徑增重以增加轉(zhuǎn)動慣量。其目的都是：當電機轉(zhuǎn)速增高時，轉(zhuǎn)子部動能增加，把能量貯蓄起來；當轉(zhuǎn)速降低時，轉(zhuǎn)子部動能減少，把能量釋放出來，用來減少機械運轉(zhuǎn)過程的速度波動。同時也可起到改變機器的共振頻率的作用，減少機器運行時的震動和噪音。

在主軸上加裝一個飛輪，雖然能夠明顯提高轉(zhuǎn)子部運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，但需要增大電機功率、更換向心推力軸承型號，從而較大幅度增加成本。經(jīng)過分析對比，最終排除這一方案。另一方案是：加大轉(zhuǎn)盤直徑和增加轉(zhuǎn)盤重量，以增大轉(zhuǎn)動慣量。具有結(jié)構(gòu)改動小、生產(chǎn)成本控制好、效果同樣明顯等優(yōu)點。

根據(jù)力學知識，一個剛性物體的轉(zhuǎn)動慣量取決于該物體的質(zhì)量大小及分布狀況、質(zhì)量與旋轉(zhuǎn)軸的距離。由于粉碎機加料不均勻?qū)D(zhuǎn)動部的沖擊載荷是隨機的，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動慣量的增大減小對改善粉碎機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)的影響，可通過電機負載電流的變化來觀察[3]。

2.2.2增大轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動慣量的改進措施

為了確定粉碎機轉(zhuǎn)盤直徑及厚度數(shù)據(jù)，經(jīng)過反復試驗發(fā)現(xiàn)：隨著轉(zhuǎn)盤尺寸增大，滿負荷加料操作，電機瞬時最高負載電流會有所下降、主軸軸承溫度也同時下降，小于50 ℃，符合設計使用要求；但是，當轉(zhuǎn)盤質(zhì)量超過70 kg后，電機瞬時最高負載電流下降幅度減小，同時主軸軸承溫度有所上升。因此，優(yōu)化的轉(zhuǎn)盤質(zhì)量以總重60 kg左右為宜。試驗數(shù)據(jù)見表4所列。

表4 轉(zhuǎn)盤質(zhì)量實驗數(shù)據(jù)表

2.3 操作者班后養(yǎng)護分析

根據(jù)售后維修人員反饋，操作不規(guī)范主要存在如下兩個方面：一是不能按時對軸承進行清洗換油或換油時加注過多；二是錘頭更換方法不對。

軸承內(nèi)潤滑油過多、過少或老化也是引起軸承過熱而損壞的原因之一。按照使用說明書要求：粉碎機工作200 h后，應該對主軸軸承清洗換油，潤滑脂占軸承空間的70%～80%，過多或過少都不利于軸承潤滑和熱傳遞[4]。及時全部更換磨損的錘頭，以減小不規(guī)則磨損造成的動不平衡沖擊。

3 改進效果

為降低PCS-5型立式粉碎機主軸軸承過熱失效的故障率，反復分析產(chǎn)生的原因，一一落實改進措施，于2010年下半年改款粉碎機投放市場，接受用戶檢驗。根據(jù)售后質(zhì)量跟蹤，主軸軸承過熱失效故障率大幅下降，生產(chǎn)效率由原來每班35 t提高到42 t，受到配套主廠和用戶好評。2010年上半年與2010年同

期軸承故障率變化情況對比如圖2所示。

圖2 PCS-5粉碎機軸承故障變化對比圖

4 結(jié) 語

粉碎機是礦山、建筑、水泥、冶金等行業(yè)廣泛使用的機械設備之一，主軸軸承又是粉碎機上很重要的零件。在生產(chǎn)實際中，主軸軸承過熱失效是粉碎機發(fā)生故障的最主要原因。引起主軸軸承發(fā)熱的因素有很多，結(jié)合PCS-5型立式粉碎機的使用情況，追蹤產(chǎn)品質(zhì)量信息，采納用戶意見，經(jīng)過反復分析，找出主軸軸承過熱故障的原因：聯(lián)軸器設計不合理、電機轉(zhuǎn)子裝配公差偏小、轉(zhuǎn)盤質(zhì)量偏小等。針對存在問題進行改進，使得粉碎機設計、裝配工藝更合理。

參考文獻：

[1] 成大先.機械設計手冊(上冊)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2000.

[2] 姜 波.鉗工工藝學 [M].北京：中國勞動社會保障出版社，2009.

[3] 李為民.機械工程設計實用案例[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.

[4] 宋昊明.狀態(tài)監(jiān)測在預防設備事故及判斷故障上的應用[J].機械研究與應用，2010(5)：85-87.