螺旋分级机轴断裂原因分析

何雪梅

合肥水泥研究设计院，安徽 合肥 230051

螺旋分级机轴断裂原因分析

何雪梅

合肥水泥研究设计院，安徽 合肥 230051

针对镍铁合金尾渣湿法重力分选生产线中使用的螺旋分级机轴频繁开裂的原因进行分析，并着重对轴的挠度进行分析计算，找出原有轴存在的问题，并对选用的新轴尺寸进行挠度复核计算。

螺旋分级机 轴 无缝钢管 挠度

0 引言

近年来，随着国家水泥产能的日益过剩，水泥企业间的生存竞争也日趋白热化。把钢渣、矿渣作为熟料或水泥生产用的部分原料以降低成本，已被多家水泥生产企业接纳采用。然而，并不是所有工业废渣都可以被水泥企业直接采用，比如镍铁合金尾渣，需要分选出贵金属镍。

TH公司采用一台Φ2.2 m×15 m、斜度为15°的螺旋分级机分选镍铁合金渣，投产不久，该螺旋分级机轴在两段钢管对焊部位旁100 mm处出现径向裂纹，裂纹长度从50 mm逐步增长到100 mm，机修人员对此进行多次修补后，依旧开裂。工厂技术人员认为该轴的加工质量存在问题，后来干脆停产重新更换了一根轴，但没多久新换的轴又出现同样问题，后来经技术人员对该轴进行强度分析计算，发现问题所在。本文仅对螺旋分级机轴断裂原因进行分析计算。

1 设备的基本情况

1.1 螺旋分级机基本参数

螺旋分级机规格：Φ2.2 m×15 m；直径：Φ2 200 mm，长度15 m，斜度15°。输送物料：镍铁合金渣初步重力分选后的湿尾渣，物料容重1.6 t/m3。

输送能力：75 t/h。

（1）减速电机：功率45 kW，电机额定转速1 000 r/min，速比17，输出扭矩6 750· mN 。

（2）齿轮传动副：传动比4.135，输出转速13.6 r/min，输出扭矩6 750×4.135η×=29 126 N·m。

传动轴的两支点间距为15 100 mm+685 mm= 15 785 mm=15.785 m。

1.2 轴的构造

轴总长：16 000 mm，传动段轴采用锻造，长度为900 mm，采用三段变径，由Φ300 mm变至Φ340 mm，再变为Φ360 mm，焊接在由无缝钢管和钢板焊接制成的另一段轴端盖上，本段轴总长为15 100 mm，规格：530×28，即外径D=530 mm，内径d=474 mm，壁厚28 mm，材质为16Mn。由于无缝钢管单管最大长度为12 500 mm，因此需要再增加一段长度约为2 500 mm的无缝钢管拼接，这次径向裂缝就产生在靠焊缝100 mm处。

本段轴内部支撑采用数段热扩无缝钢管。内管原始规格：450×30，即外径D=450 mm，内径d=390 mm，壁厚30 mm，材质为40Cr，由于无法与外管匹配，设备厂家将此管热扩后与外管组装，热扩后的内管外径为Φ475 mm。

2 轴开裂原因分析

2.1 热扩过程存在隐患

该段轴内部支撑用的无缝钢管外径由450 mm扩至475 mm，此处理过程存在以下缺点：

（1）无缝钢管经过热扩之后，钢材内部的非金属夹杂物（主要是硫化物和氧化物，还有硅酸盐）被压成薄片，出现分层（夹层）现象。分层使钢材沿厚度方向受拉的性能变差，并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂。焊缝收缩诱发的局部应变时常达到屈服点应变的数倍，比荷载引起的应变大得多。

（2）不均匀冷却造成的残余应力。残余应力是在没有外力作用下，内部自相平衡的应力。各种截面的热扩型钢都有这类残余应力，一般型钢截面尺寸越大，残余应力也越大。残余应力虽然是自相平衡的，但对钢构件在外力作用下的性能还是有一定影响。如对变形、稳定性、抗疲劳等方面都可能产生不利的作用。

（3） 热扩不利于厚度和边宽的控制。因为热胀冷缩的原因，开始的时候热扩出来即使是长度、厚度都达标，最后冷却后还是会出现一定的负偏差，这种负偏差边宽越宽，厚度越厚表现的越明显。因此本设备采用的热扩管边宽、厚度、长度，角度，以及边线都无法精确控制。

综上所述，作为内部支撑用的热扩钢管的质量、机械性能都比原来的无缝钢管要差一些，其质量出现问题后没有起到相应的支撑和加强作用，这也是该设备轴出现径向裂纹的一个原因之一。

2.2 强度计算

由于在实际使用中没有出现端部轴的断裂问题，且在使用过程中没有发现端部的轴承和轴承座有质量问题，通过对法兰连接处环形坡焊缝的剪切应力和拉应力，以及螺栓允许承受的剪切应力进行复核计算，均满足强度要求。

2.3 原轴挠度分析计算

本轴为轻载长轴，在使用过程中出现的轴对焊处附近100 mm左右出现的径向裂纹，可能是轴的刚度不足，挠度过大，因此本文重点对轴的挠度进行分析计算。

挠度的主要计算如下：

载荷模型：L＝16 m（支点间的距离，为了方便计算按照16 m计算）；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

由于螺旋叶片完全不能增加抗挠度的刚性，轴的转速很低，所以计算中选惯性矩Jx或Jy，所以轴的最大挠度为yx.max=4.864 cm。

如果按旋转轴来计算，则要严格地控制挠度值，需要采用极惯性矩Jp计算刚性。按机械零件设计手册要求，一般用途的轴的ymaxp=(0.000 3-0.000 5)× L4.8-8.0 mm。

通过上述，由于原有设备轴的刚性太差，其挠度已经超过了设计要求值的5倍左右，导致轴在超大的挠度下产生交变应力，交变应力的破坏在这里远远大于扭转和剪切破坏，原轴的寿命远远达不到理论设计要求，需要重新设计一根新轴。

2.4 新轴设计及轴的强度复核

（1）新轴设计

由于原轴是采用无缝钢管来制作，刚度和强度远远赶不上锻造轴的质量，因此如果新轴仍采用无缝钢管制作，则其外径尺寸或轴的壁厚要比理论值大，一般大20%左右。

如果按机械零件设计手册要求，所得结果见表1。

按一般用途的轴来设计，则该类轴的允许挠度ymaxp=(0.000 3-0.000 5)×L=4.8-8 mm，所选新轴的基本尺寸为：L＝16 m；D≥650 mm；d≤550 mm；壁厚≥50 mm，对新轴的挠度计算如下：

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

可见新轴的挠度值符合设计规范中一般用途轴的挠度允许值，轴的刚性满足要求。

由于目前并没有出现端部轴的断裂问题，因此对于端部的轴承和轴承座不需要改变。也就是说，在整个设计环节中，只需要更换轴就可以改变目前在使用中断轴的状况。

（2）增大轴的尺寸后复核：

重量增加：新轴重量：11 756 kg；老轴重量：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

由于钢管必须要选标准产品， 选择的无缝钢管尺寸为D 660×65 mm，然后重新核算挠度值Jp=3.141 59×(D4-d4)/32=3.141 59× (664-534)/32=1 088 193 cm4

表1 轴的允许挠度yp及偏转角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。

可见新轴挠度在设计允许的范围内。

后期工厂重新设计该分级机，加大轴的尺寸，调整轴的结构，新设备投入使用后再没有出现类似情况。

3 结束语

对于采用无缝钢管作为轻载长轴时，一定要选用质量较好的无缝钢管，最好不要采用热扩管。同时要将轴的剪应力、切应力、挠度、焊缝强度等进行一系列计算作为轴的设计和选型依据，防止因盲目设计导致生产中故障不断，给使用单位带来的直接和间接损失较大。

[1] 张曼.T公司生产过程质量改进研究[C].天津大学硕士论文.2013.11:P40-P42.

[2] 邵光帅.热变体中奥氏体不锈钢裂纹的敏感性评价[C].兰州理工大学硕士论文.2014.04:P3.

[3] 成大先(主编).机械设计手册(第四版第2卷) [M].北京：化学工业出版社,2003.

2015-10-08）

TQ172.6

B

1008-0473(2015)06-0067-03

10.16008/j.cnki.1008-0473.2015.06.017