何雪梅

合肥水泥研究設(shè)計院，安徽 合肥 230051

螺旋分級機軸斷裂原因分析

何雪梅

合肥水泥研究設(shè)計院，安徽 合肥 230051

針對鎳鐵合金尾渣濕法重力分選生產(chǎn)線中使用的螺旋分級機軸頻繁開裂的原因進行分析，并著重對軸的撓度進行分析計算，找出原有軸存在的問題，并對選用的新軸尺寸進行撓度復(fù)核計算。

螺旋分級機 軸 無縫鋼管 撓度

0 引言

近年來，隨著國家水泥產(chǎn)能的日益過剩，水泥企業(yè)間的生存競爭也日趨白熱化。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Φ2.2 m×15 m、斜度為15°的螺旋分級機分選鎳鐵合金渣，投產(chǎn)不久，該螺旋分級機軸在兩段鋼管對焊部位旁100 mm處出現(xiàn)徑向裂紋，裂紋長度從50 mm逐步增長到100 mm，機修人員對此進行多次修補后，依舊開裂。工廠技術(shù)人員認為該軸的加工質(zhì)量存在問題，后來干脆停產(chǎn)重新更換了一根軸，但沒多久新?lián)Q的軸又出現(xiàn)同樣問題，后來經(jīng)技術(shù)人員對該軸進行強度分析計算，發(fā)現(xiàn)問題所在。本文僅對螺旋分級機軸斷裂原因進行分析計算。

1 設(shè)備的基本情況

1.1 螺旋分級機基本參數(shù)

螺旋分級機規(guī)格：Φ2.2 m×15 m；直徑：Φ2 200 mm，長度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：功率45 kW，電機額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，速比17，輸出扭矩6 750· mN 。

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

傳動軸的兩支點間距為15 100 mm+685 mm= 15 785 mm=15.785 m。

1.2 軸的構(gòu)造

軸總長：16 000 mm，傳動段軸采用鍛造，長度為900 mm，采用三段變徑，由Φ300 mm變至Φ340 mm，再變?yōu)棣?60 mm，焊接在由無縫鋼管和鋼板焊接制成的另一段軸端蓋上，本段軸總長為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。由于無縫鋼管單管最大長度為12 500 mm，因此需要再增加一段長度約為2 500 mm的無縫鋼管拼接，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)段熱擴無縫鋼管。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，由于無法與外管匹配，設(shè)備廠家將此管熱擴后與外管組裝，熱擴后的內(nèi)管外徑為Φ475 mm。

2 軸開裂原因分析

2.1 熱擴過程存在隱患

該段軸內(nèi)部支撐用的無縫鋼管外徑由450 mm擴至475 mm，此處理過程存在以下缺點：

（1）無縫鋼管經(jīng)過熱擴之后，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出現(xiàn)層間撕裂。焊縫收縮誘發(fā)的局部應(yīng)變時常達到屈服點應(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)力是在沒有外力作用下，內(nèi)部自相平衡的應(yīng)力。各種截面的熱擴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，但對鋼構(gòu)件在外力作用下的性能還是有一定影響。如對變形、穩(wěn)定性、抗疲勞等方面都可能產(chǎn)生不利的作用。

（3） 熱擴不利于厚度和邊寬的控制。因為熱脹冷縮的原因，開始的時候熱擴出來即使是長度、厚度都達標，最后冷卻后還是會出現(xiàn)一定的負偏差，這種負偏差邊寬越寬，厚度越厚表現(xiàn)的越明顯。因此本設(shè)備采用的熱擴管邊寬、厚度、長度，角度，以及邊線都無法精確控制。

綜上所述，作為內(nèi)部支撐用的熱擴鋼管的質(zhì)量、機械性能都比原來的無縫鋼管要差一些，其質(zhì)量出現(xiàn)問題后沒有起到相應(yīng)的支撐和加強作用，這也是該設(shè)備軸出現(xiàn)徑向裂紋的一個原因之一。

2.2 強度計算

由于在實際使用中沒有出現(xiàn)端部軸的斷裂問題，且在使用過程中沒有發(fā)現(xiàn)端部的軸承和軸承座有質(zhì)量問題，通過對法蘭連接處環(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)力進行復(fù)核計算，均滿足強度要求。

2.3 原軸撓度分析計算

本軸為輕載長軸，在使用過程中出現(xiàn)的軸對焊處附近100 mm左右出現(xiàn)的徑向裂紋，可能是軸的剛度不足，撓度過大，因此本文重點對軸的撓度進行分析計算。

撓度的主要計算如下：

載荷模型：L＝16 m（支點間的距離，為了方便計算按照16 m計算）；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)軸來計算，則要嚴格地控制撓度值，需要采用極慣性矩Jp計算剛性。按機械零件設(shè)計手冊要求，一般用途的軸的ymaxp=(0.000 3-0.000 5)× L4.8-8.0 mm。

通過上述，由于原有設(shè)備軸的剛性太差，其撓度已經(jīng)超過了設(shè)計要求值的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)力的破壞在這里遠遠大于扭轉(zhuǎn)和剪切破壞，原軸的壽命遠遠達不到理論設(shè)計要求，需要重新設(shè)計一根新軸。

2.4 新軸設(shè)計及軸的強度復(fù)核

（1）新軸設(shè)計

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

如果按機械零件設(shè)計手冊要求，所得結(jié)果見表1。

按一般用途的軸來設(shè)計，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，對新軸的撓度計算如下：

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

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

由于目前并沒有出現(xiàn)端部軸的斷裂問題，因此對于端部的軸承和軸承座不需要改變。也就是說，在整個設(shè)計環(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準產(chǎn)品， 選擇的無縫鋼管尺寸為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。

可見新軸撓度在設(shè)計允許的范圍內(nèi)。

后期工廠重新設(shè)計該分級機，加大軸的尺寸，調(diào)整軸的結(jié)構(gòu)，新設(shè)備投入使用后再沒有出現(xiàn)類似情況。

3 結(jié)束語

對于采用無縫鋼管作為輕載長軸時，一定要選用質(zhì)量較好的無縫鋼管，最好不要采用熱擴管。同時要將軸的剪應(yīng)力、切應(yīng)力、撓度、焊縫強度等進行一系列計算作為軸的設(shè)計和選型依據(jù)，防止因盲目設(shè)計導(dǎo)致生產(chǎn)中故障不斷，給使用單位帶來的直接和間接損失較大。

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2015-10-08）

TQ172.6

B

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