劉旭，尤小平，孫志鵬，劉勁松，王磊

冷卻機(jī)用第一代中置輥式破碎機(jī)根據(jù)輥圈（T1005N）使用溫度，放置在600℃～650℃區(qū)間內(nèi)，前、后篦床長(zhǎng)度的比例為7：4，輥軸材料為40Cr，冷卻方式為風(fēng)冷，使用安全可靠。

冷卻機(jī)用第二代中置輥式破碎機(jī)根據(jù)輥圈（T1005S）使用溫度，放置在800℃～850℃區(qū)間內(nèi)，前、后篦床長(zhǎng)度的比例為5：6。目前，第二代中置輥式破碎機(jī)輥軸需要解決以下兩個(gè)問題：

（1）輥軸的材料能否滿足使用要求；

（2）輥軸的冷卻方式能否滿足運(yùn)行要求。

1 輥式破碎機(jī)設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)

高溫輥式破碎機(jī)設(shè)備主要由輥圈、輥軸、框架、軸風(fēng)冷系統(tǒng)組成，輥軸外部套上一定數(shù)量輥圈，組成一排輥套。

1.1 輥軸的設(shè)計(jì)尺寸及相關(guān)參數(shù)

輥軸、輥圈的內(nèi)、外徑尺寸以設(shè)計(jì)圖紙為準(zhǔn)，輥軸不同材質(zhì)在不同溫度下的許用應(yīng)力值見表1。

表1 不同溫度下材料的許用應(yīng)力值

1.2 輥軸使用時(shí)的最小許用應(yīng)力值計(jì)算

一排組裝好輥圈的輥軸重量約為9 000kg，驅(qū)動(dòng)一排組裝好的輥軸，扭矩約為60kN·m，輥軸在正常工作時(shí)的最小許用應(yīng)力計(jì)算如下：

（1）自身重力在中空軸上產(chǎn)生的靜態(tài)剪切應(yīng)力

（2）傳動(dòng)時(shí)，橫截面的最大剪切應(yīng)力

式中：

T——扭矩

Wp——扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)

式中：

a——圓管內(nèi)直徑d/圓管外直徑D

T=60kN·m=6×104N·m

Wp=0.003 59m3

τmax=1.67×107Pa=16.7MPa

結(jié)合式（1）、式（2）所得，輥軸自身的許用應(yīng)力不得＜18MPa，該許用應(yīng)力是指在任何溫度下的最低許用應(yīng)力要求（見表1）。

1.3 通風(fēng)冷卻情況

輥式破碎機(jī)設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)，輥軸內(nèi)部通風(fēng)，對(duì)輥軸進(jìn)行熱交換冷卻保護(hù)；同時(shí)，輥式破碎機(jī)設(shè)備布置在冷卻機(jī)設(shè)備中，有從下向上通過的冷卻風(fēng)，對(duì)物料進(jìn)行冷卻，變相對(duì)輥圈和輥軸進(jìn)行保護(hù)。

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，輥式破碎機(jī)中心軸風(fēng)冷前后的溫差為60℃，在冷卻機(jī)內(nèi)部，風(fēng)從下向上通過輥式破碎機(jī)后，溫差為80℃。

輥圈材質(zhì)為高合金鋼，輥軸材質(zhì)為40Cr，二者的導(dǎo)熱系數(shù)均為47λ/W/（m·K）；CO2+O2的熱傳導(dǎo)系數(shù)為10～100h/W/（m2·K）。

2 模擬計(jì)算

2.1 理論基礎(chǔ)

模擬計(jì)算的理論基礎(chǔ)為傅里葉定律（固體和固體熱傳導(dǎo)）、牛頓冷卻定律（流體和固體熱傳導(dǎo)）。

2.2 模型建立

第一步：風(fēng)從輥式破碎機(jī)下部到上部和物料進(jìn)行熱傳導(dǎo)，風(fēng)溫差△T1；

第二步：物料和輥圈熱傳導(dǎo)；

第三步：輥圈和輥軸熱傳導(dǎo)；

第四步：輥軸和內(nèi)部冷卻風(fēng)進(jìn)行熱傳導(dǎo)，風(fēng)溫差△T2（見圖1）。

2.3 Mathematica軟件計(jì)算

△T1=80℃，△T2=60℃

圖1 輥軸熱傳導(dǎo)模型簡(jiǎn)圖

（1）模擬計(jì)算結(jié)果一

工況溫度為600℃時(shí)，采用風(fēng)冷，材料為40Cr的輥軸，內(nèi)壁溫度為263℃，外壁溫度為421℃，輥軸平均溫度為342℃。

（2）模擬計(jì)算結(jié)果二

工況溫度為850℃時(shí)，采用風(fēng)冷，材料為40Cr的輥軸，內(nèi)壁溫度為480℃，外壁溫度為626℃，輥軸平均溫度為553℃。

3 結(jié)果分析

（1）對(duì)于模擬計(jì)算結(jié)果一，查表1可知，450℃時(shí)，材質(zhì)40Cr輥軸對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力為58MPa，大于使用時(shí)的輥軸最小許用應(yīng)力18MPa。由此可知，在600℃工況溫度下，輥軸采用風(fēng)冷，使用40Cr材料能夠滿足使用安全。模擬計(jì)算出的輥軸平均溫度和實(shí)測(cè)的輥軸溫度相吻合。

（2）對(duì)于模擬計(jì)算結(jié)果二，查表1可知，550℃時(shí)，材質(zhì)40Cr輥軸對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力為10.8MPa，小于使用時(shí)的輥軸最小許用應(yīng)力18MPa。由此可知，在850℃工況溫度下，輥軸采用風(fēng)冷，使用40Cr材料不能滿足使用安全。若要滿足使用要求只能采取兩種方案：一是仍采用風(fēng)冷，輥軸材料采用0Cr18Ni9替換40Cr；另一種是輥軸材料不變，冷卻方式改為水冷。