杭钢烧结四辊破碎机主轴断裂原因分析及改进

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[摘 要]本文对杭钢烧结四辊破碎机出现主轴断裂故障的成因进行分析，提出了环形锲零件分割成三块等分的扇形角为120°锲型块进行装配，使主轴强度和承载载荷得到很大的提高，解决了四辊断裂的现象。

[关键词]四辊断裂，扇形锲型块，解决方法。

中图分类号：TF321；TG115 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）40-0311-02

一、引言：

烧结四辊破碎机的工作原理是依靠辊子表面的摩擦力把物料带入两辊的工作腔中，通过挤压和剪切力使物料被碾研而破碎。在这个过程，四辊主轴承受很大的交变载荷弯曲应力和剪应力。图二是破碎机辊子部分运动的示意图。

四辊破碎示意图一

烧结四辊破碎机从2007年7月和2008年2月曾发生两次四辊断裂大故障。两次断裂面都发生在靠近大轮毂轴颈直径Φ325mm和直径Φ290mm的交接过渡面。发生在2008年2月另一组的其中一根四辊主轴断裂，虽然断裂面与前次在同一处，然而发现这次辊皮内圆柱面与大轮毂外圆柱面的配合不仅没有发现丝毫松动，而且相当紧，说明有不小的配合过盈量。那么说明主轴断裂另有原因。于是对每一个拆开零件进行仔细观察，发现环形锲外圆锥面与辊皮内圆锥面有很好的接触，而环形锲内圆柱面与小轮毂外圆柱面接触不好或者根本没有接触，两个配合面上还有一层锈蚀的氧化皮。这问题说明了在修复装配后两配合面有间隙存在。（图三）难道这间隙是第二次四辊断裂的主要原因？

图三

结合两次四辊断裂存在不同情况进行研究分析，采取了把原整体型的环形锲分别割开成三块等分的扇形角为120°锲型块，按原先安装环形锲的对应位置进行装配，消除了装配后的间隙，成功地解决四辊断裂这一大故障。

二、故障成因分析及改进

四辊主轴装配过程有一个装配环节就是装配环形锲。环形锲是整体型，为了便于装配，环形锲的内圆柱面直径比小轮毂的外圆柱面直径大0.02～0.04mm。所以在零件加工后的按原始尺寸精度配合存有微量的间隙。但是为了消除这一间隙，在平行于环形锲轴心线切出宽20mm使其不能封闭的一条槽。在厂家设计时，本人认为这槽起到的作用在于安装过程，拧紧环形锲与大轮毂连接螺栓螺母时，环形锲产生轴向移动。此时辊皮的内圆锥挤压环形锲外圆锥面，使环形锲受挤压产生微量变形，从而使环形锲内圆柱面直径缩小，抱紧小轮毂外圆柱面，可靠的接触挤压过盈，增加表面的摩擦力，确保四辊主轴刚性和强度。

可想而知，初次在安装上是符合设计并能满足这一要求的。但在潮湿物料的破碎作业环境下难免会产生氧化锈蚀层。所以每更换一次辊皮，零件配合面经过除锈清污氧化层的剥离，装配后这间隙也逐渐在增大。用塞尺进行测量，环形锲的内圆柱面与小轮毂的外圆柱面配合处间隙有大有小，有的0.30mm，有的0.50mm，甚至更大。这间隙大了，即便拧紧连接螺栓螺母，环形锲受挤压发生最大极限弹性变形的其内圆柱面直径仍旧大于小轮毂外圆柱面直径，就会产生缝隙（间隙）。这间隙会导致四辊破碎碾研物料时改变主轴受力状况，使直径Φ325mm与Φ300mm交接过渡面集中力成倍增大，随之弯矩、剪力也增大，并产生一定的集中力偶。

这个间隙存在，假设四辊运行时主轴承载的载荷为P单位为千牛（kN），根据主轴受力进行分析，由剪力公式画出剪力图情况如下（图四）。最大剪力为主轴载荷P

图四

由弯矩公式画出弯矩图情况如下（图五）。

图五

如图四、图五所示受集中力P的作用，作出的剪力图与弯矩图。根据在集中力P的作用下，剪力发生突变，其突变值就等于集中力的数值P；弯矩连续，但弯矩在此处出现折点。从受力图看出C截面，即直径Φ325mm和直径Φ290mm的交接过渡截面存在最大的弯矩及最大的剪力。

现在把整体型的环形锲分割开成三块等分的扇形角120°锲型块按原来的对应位置装上，相邻两块锲型块之间都割除有20mm的缝。此时在拧紧锲型块与小轮毂的连接螺栓螺母，锲型块的产生轴向移动，其外圆锥面受辊皮内圆锥面制约，锲型块的内圆柱面直径也随着缩小。使锲型块的内圆柱面与小轮毂的外圆柱面，由接触、紧密接触、甚至过盈（过盈量的大小取决于连接螺栓的螺母拧紧扭矩值）。消除了此处装配后的间隙主轴受力会怎么样？如图六

图六

没有间隙，假设四辊运行时主轴承载的载荷为P单位为千牛（kN），根据主轴受力进行分析，由弯矩公式画出近似弯矩图情况如下，C、D截面分别承载着原由C截面单独承载载荷P的一半，弯矩减小。（图七）

图七

由剪力公式画出近似剪力图情况如下，C、D截面分别承载着由原C截面单独承载载荷P的一半，主轴最大剪力减小到原来的一半为0.5P。（图八）

图八

把四辊主轴装配中改进前用整体环形锲装配有间隙与改进后用三块扇形角为120°锲型块装配无间隙的主轴所受最大弯矩和剪力相比较如下表一

表一

把整体环形锲分割成三块等分的扇形角为120°的锲型块来装配使四辊主轴受力得到了合理分布。主轴所受最大弯矩与剪力得到有效的降低。相对提高了主轴的承载载荷，四辊主轴强度能得以很大的提高。

三、改进后的效果。

自从把整体型环形锲分割成三等分扇形楔形块进行安装，到目前，也就是2013年9月，长达五年之久，四辊主轴未发生一次截面断裂现象。四辊破碎机从此告别四辊主轴断裂故障，四辊使用寿命周期成倍延长，节省了人力和物力，提高了四辊破碎机的设备作业率，其产生的经济效益自然也不言而喻。

四、结束语

综上所说，我对烧结破碎机四辊主轴断裂这一特殊的故障现象进行主轴受力分析，从根本上找出故障发生的原因，并将整体环形锲分割成三块等分的扇形锲型块进行装配，切实可行的技术措施解决了实际问题。

由于主轴部件是运动的转动体，所受的力是一个复杂有关拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等组合交变的载荷的的过程，从单一作为承重梁来分析其弯曲与剪切力的变化，有一定的理论依据局限性，有不尽完善之处。但我个人认为强度、承载载荷的提高主要的因素是环形锲改进成三块等分扇形角120°锲型块进行装配，解决了实质性的问题。

参考文献

[1] 吴德风主编，高等教育出版社，工程力学，1991.