何雪梅

合肥水泥研究設計院，安徽 合肥 230051

螺旋分級機軸斷裂原因分析

何雪梅

合肥水泥研究設計院，安徽 合肥 230051

針對鎳鐵合金尾渣濕法重力分選生產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用的部分原料以降低成本，已被多家水泥生產企業(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，投產不久，該螺旋分級機軸在兩段鋼管對焊部位旁100 mm處出現徑向裂紋，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。工廠技術人員認為該軸的加工質量存在問題，后來干脆停產重新更換了一根軸，但沒多久新?lián)Q的軸又出現同樣問題，后來經技術人員對該軸進行強度分析計算，發(fā)現問題所在。本文僅對螺旋分級機軸斷裂原因進行分析計算。

1 設備的基本情況

1.1 螺旋分級機基本參數

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，內徑d=474 mm，壁厚28 mm，材質為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，這次徑向裂縫就產生在靠焊縫100 mm處。

本段軸內部支撐采用數段熱擴無縫鋼管。內管原始規(guī)格：450×30，即外徑D=450 mm，內徑d=390 mm，壁厚30 mm，材質為40Cr，由于無法與外管匹配，設備廠家將此管熱擴后與外管組裝，熱擴后的內管外徑為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）無縫鋼管經過熱擴之后，鋼材內部的非金屬夾雜物（主要是硫化物和氧化物，還有硅酸鹽）被壓成薄片，出現分層（夾層）現象。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層間撕裂。焊縫收縮誘發(fā)的局部應變時常達到屈服點應變的數倍，比荷載引起的應變大得多。

（2）不均勻冷卻造成的殘余應力。殘余應力是在沒有外力作用下，內部自相平衡的應力。各種截面的熱擴型鋼都有這類殘余應力，一般型鋼截面尺寸越大，殘余應力也越大。殘余應力雖然是自相平衡的，但對鋼構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一定的負偏差，這種負偏差邊寬越寬，厚度越厚表現的越明顯。因此本設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，作為內部支撐用的熱擴鋼管的質量、機械性能都比原來的無縫鋼管要差一些，其質量出現問題后沒有起到相應的支撐和加強作用，這也是該設備軸出現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端部軸的斷裂問題，且在使用過程中沒有發(fā)現端部的軸承和軸承座有質量問題，通過對法蘭連接處環(huán)形坡焊縫的剪切應力和拉應力，以及螺栓允許承受的剪切應力進行復核計算，均滿足強度要求。

2.3 原軸撓度分析計算

本軸為輕載長軸，在使用過程中出現的軸對焊處附近100 mm左右出現的徑向裂紋，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，由于原有設備軸的剛性太差，其撓度已經超過了設計要求值的5倍左右，導致軸在超大的撓度下產生交變應力，交變應力的破壞在這里遠遠大于扭轉和剪切破壞，原軸的壽命遠遠達不到理論設計要求，需要重新設計一根新軸。

2.4 新軸設計及軸的強度復核

（1）新軸設計

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。

如果按機械零件設計手冊要求，所得結果見表1。

按一般用途的軸來設計，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。

可見新軸撓度在設計允許的范圍內。

后期工廠重新設計該分級機，加大軸的尺寸，調整軸的結構，新設備投入使用后再沒有出現類似情況。

3 結束語

對于采用無縫鋼管作為輕載長軸時，一定要選用質量較好的無縫鋼管，最好不要采用熱擴管。同時要將軸的剪應力、切應力、撓度、焊縫強度等進行一系列計算作為軸的設計和選型依據，防止因盲目設計導致生產中故障不斷，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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