中空軸產(chǎn)生裂紋的原因分析及處理

楊立志 靳軍

（淮北礦業(yè)相山水泥有限責(zé)任公司，安徽淮北235043）

中空軸產(chǎn)生裂紋的原因分析及處理

楊立志 靳軍

（淮北礦業(yè)相山水泥有限責(zé)任公司，安徽淮北235043）

我公司Φ3.8×13m水泥磨2004年投入運(yùn)行，4年后的一次例行巡檢時，發(fā)現(xiàn)磨頭中空軸在軸頸處圓弧端面徑向產(chǎn)生了裂紋，裂紋弧長約370mm，經(jīng)用X射線探測儀觀察，最大深度近17mm。

據(jù)了解，此類問題在不同的生產(chǎn)廠家曾發(fā)生多起，分析認(rèn)為產(chǎn)生裂紋的原因與下列因素有關(guān)。

1 中空軸在軸頸圓弧面上應(yīng)力最大、機(jī)械應(yīng)力破壞最強(qiáng)

按照機(jī)械設(shè)計(jì)制造理論，凡具有一定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動件（或稱轉(zhuǎn)子），由于材料組織不均勻、零件外形的誤差、裝配誤差、受熱變形以及結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀不對稱等原因，使通過轉(zhuǎn)動件或轉(zhuǎn)子重心的主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線不相重合，因而旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)動件或轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡離心力，其值可由下式計(jì)算：

式中：G——轉(zhuǎn)子的重量，kg；

e——轉(zhuǎn)子重心對旋轉(zhuǎn)軸線的偏移，即偏心距，mm；

ω——轉(zhuǎn)子的角速度，弧度/s；

n——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，r/m in；

g——重力加速度，9800mm/s。

由上式可知，當(dāng)重型或高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子即使具有很小的偏心距，也會引起非常大的不平衡的離心力，成為軸或軸承磨損、機(jī)械設(shè)備解體或基礎(chǔ)振動的主要原因之一。

而轉(zhuǎn)子不平衡分兩種情況：①靜不平衡——即轉(zhuǎn)子主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線不相重合，但相互平行，也就是轉(zhuǎn)子重心不在旋轉(zhuǎn)軸線上，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，將產(chǎn)生不平衡的離心力；②動不平衡——即轉(zhuǎn)子主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線交錯，且相交于轉(zhuǎn)子的重心上，即轉(zhuǎn)子的重心在旋轉(zhuǎn)軸上。這時轉(zhuǎn)子雖處于靜平衡狀態(tài)，但轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，將產(chǎn)生一不平衡力矩。

設(shè)計(jì)部門在這類磨機(jī)的設(shè)計(jì)上，希望通過下述主要技術(shù)要求來尋求運(yùn)轉(zhuǎn)的最佳狀態(tài)：

（1）磨機(jī)的兩端中空軸裝配后的同軸度為0.25mm；

（2）法蘭端面與中空軸軸頸的端面跳動不得大于0.3mm；

（3）兩主軸承基礎(chǔ)上的橫向中心線距離誤差不超過磨體熱脹量的1/10，最大不得超過1mm；

（4）兩中空軸的上母線在同一水平面上，其標(biāo)高允差為1mm，且只允許出料端低于進(jìn)料端。

然而，由于受技術(shù)條件的限制，磨機(jī)在設(shè)計(jì)、材料組織、零件外形加工、測繪與裝配誤差、熱膨脹量以及結(jié)構(gòu)不對稱等方面都與理想狀態(tài)相差較大，同時，磨機(jī)是一種受沖擊動載負(fù)荷很大的、必需靠運(yùn)轉(zhuǎn)來作業(yè)的熱性剛體，而僅僅依靠磨頭磨尾兩個中空軸下的調(diào)心球面瓦在運(yùn)動中自動調(diào)心不能從根本上消除平衡質(zhì)量低下的問題（注：平衡質(zhì)量用精度等級G表示，系指偏心距與角速度ω的乘積）。因此，在大多數(shù)情況下，磨機(jī)既存在靜不平衡，又存在動不平衡狀態(tài)。磨機(jī)主慣性軸線與旋轉(zhuǎn)軸線既不重合，又不互相平行，而是相交于磨機(jī)旋轉(zhuǎn)軸線中非重心的任何一點(diǎn)。當(dāng)磨機(jī)旋轉(zhuǎn)時，就會產(chǎn)生一個不平衡的離心力和一個力矩，以致很難達(dá)到上述技術(shù)要求。根據(jù)機(jī)械應(yīng)力強(qiáng)度理論，該不平衡的離心力和力矩共同作用在中空軸上，當(dāng)超過其應(yīng)力極限時，即可在應(yīng)力集中的軸頸圓弧面上產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而誘發(fā)設(shè)備故障。

該磨中空軸外徑為Φ1740mm，進(jìn)料孔內(nèi)徑為Φ1480mm，超過軸頸處圓弧端面的直徑為Φ2130mm，彎曲圓弧的設(shè)計(jì)倒角為R185。對于磨機(jī)在冷態(tài)時的強(qiáng)度而言，只要R185區(qū)域內(nèi)的鑄造無疏松、夾渣、裂紋、砂眼及縮孔等任何影響強(qiáng)度的缺陷存在，內(nèi)部質(zhì)量符合GB7233的Ⅰ級、表面質(zhì)量符合JB/T9218-1999的Ⅰ級或GB/15822-1995的Ⅰ級，理論上是能夠達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的。但磨體在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下具有熱脹冷縮能力，從不同的生產(chǎn)廠家發(fā)生的多起此類問題來看，R185的圓弧倒角設(shè)計(jì)應(yīng)值得商榷。

2 不規(guī)范的操作產(chǎn)生熱應(yīng)力，加劇了裂紋的形成

考慮到筒體熱脹冷縮因素，在設(shè)計(jì)安裝時，采用進(jìn)料端主軸承的球面瓦與進(jìn)料中空軸軸頸在長度的配合上留有一定的間隙，使得筒體軸向收縮與膨脹有足夠的空間，用于控制筒體的收縮與膨脹。該磨主軸承球面瓦與中空軸軸頸配合側(cè)間隙為0.27～0.38mm。

但是，當(dāng)磨機(jī)正常運(yùn)行時，由于研磨體與物料之間的粉磨作用，磨體自身溫度一般大于60℃，且從進(jìn)料端至出料端呈非線性遞增，而中空軸在潤滑油的冷卻下，溫度一般不超過40℃。用手持式紅外線測溫儀現(xiàn)場測量證明，溫差在20℃的集中部位在中空軸軸頸所處的端弧面上，形成了一個明顯的溫差界面（線）。

按照磨機(jī)的正確操作制度，當(dāng)關(guān)停磨機(jī)的主電機(jī)后，輔傳還應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)半小時后才能停車，且當(dāng)磨機(jī)停后每5～10分鐘要將磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)約半圈，直到磨機(jī)冷卻為止，以防止磨頭與中空軸軸頸產(chǎn)生過高的溫差壓力。對于長時停磨，還應(yīng)把研磨體倒出，以防筒體彎曲。比對以上作業(yè)程序標(biāo)準(zhǔn)，從現(xiàn)場實(shí)際情況來看，還遠(yuǎn)沒有做到。這也是加劇裂紋形成的重要原因之一。

3 處理措施

由于沒有備件及時替換，便采取了如下應(yīng)急措施：

（1）沿裂紋的長度走向，在裂紋的兩端及中部拐點(diǎn)分別鉆Φ6mm深約20mm的工藝孔，以消除內(nèi)應(yīng)力，防止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。

（2）由于長時間停磨，用慢轉(zhuǎn)方式將中空軸的裂紋轉(zhuǎn)至正上方，以減小因重載荷使設(shè)備疲勞而造成的剪切應(yīng)力對中空軸的傷害。

（3）每次停磨時作好仔細(xì)檢查并詳細(xì)記錄，防止事故的突然發(fā)生。同時盡量減少開停磨次數(shù)，防止開啟時的巨大慣性矩加重對中空軸的傷害。

通過這次處理，并經(jīng)長期運(yùn)行觀察，至今未發(fā)現(xiàn)裂紋有繼續(xù)擴(kuò)展的跡象，效果較好。

（編輯：方圓）

TQ172.632 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1007-6344（2010）04-0035-02

2010-03-23】