第二代高溫輥式破碎機用輥軸的研究

劉旭，尤小平，孫志鵬，劉勁松，王磊

冷卻機用第一代中置輥式破碎機根據輥圈（T1005N）使用溫度，放置在600℃～650℃區間內，前、后篦床長度的比例為7：4，輥軸材料為40Cr，冷卻方式為風冷，使用安全可靠。

冷卻機用第二代中置輥式破碎機根據輥圈（T1005S）使用溫度，放置在800℃～850℃區間內，前、后篦床長度的比例為5：6。目前，第二代中置輥式破碎機輥軸需要解決以下兩個問題：

（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行要求。

1 輥式破碎機設備相關數據參數

高溫輥式破碎機設備主要由輥圈、輥軸、框架、軸風冷系統組成，輥軸外部套上一定數量輥圈，組成一排輥套。

1.1 輥軸的設計尺寸及相關參數

輥軸、輥圈的內、外徑尺寸以設計圖紙為準，輥軸不同材質在不同溫度下的許用應力值見表1。

表1 不同溫度下材料的許用應力值

1.2 輥軸使用時的最小許用應力值計算

一排組裝好輥圈的輥軸重量約為9 000kg，驅動一排組裝好的輥軸，扭矩約為60kN·m，輥軸在正常工作時的最小許用應力計算如下：

（1）自身重力在中空軸上產生的靜態剪切應力

（2）傳動時，橫截面的最大剪切應力

式中：

T——扭矩

Wp——扭轉截面系數

式中：

a——圓管內直徑d/圓管外直徑D

T=60kN·m=6×104N·m

Wp=0.003 59m3

τmax=1.67×107Pa=16.7MPa

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

1.3 通風冷卻情況

輥式破碎機設備在正常運行時，輥軸內部通風，對輥軸進行熱交換冷卻保護；同時，輥式破碎機設備布置在冷卻機設備中，有從下向上通過的冷卻風，對物料進行冷卻，變相對輥圈和輥軸進行保護。

通過現場測量，輥式破碎機中心軸風冷前后的溫差為60℃，在冷卻機內部，風從下向上通過輥式破碎機后，溫差為80℃。

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

2 模擬計算

2.1 理論基礎

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

2.2 模型建立

第一步：風從輥式破碎機下部到上部和物料進行熱傳導，風溫差△T1；

第二步：物料和輥圈熱傳導；

第三步：輥圈和輥軸熱傳導；

第四步：輥軸和內部冷卻風進行熱傳導，風溫差△T2（見圖1）。

2.3 Mathematica軟件計算

△T1=80℃，△T2=60℃

圖1 輥軸熱傳導模型簡圖

（1）模擬計算結果一

工況溫度為600℃時，采用風冷，材料為40Cr的輥軸，內壁溫度為263℃，外壁溫度為421℃，輥軸平均溫度為342℃。

（2）模擬計算結果二

工況溫度為850℃時，采用風冷，材料為40Cr的輥軸，內壁溫度為480℃，外壁溫度為626℃，輥軸平均溫度為553℃。

3 結果分析

（1）對于模擬計算結果一，查表1可知，450℃時，材質40Cr輥軸對應的許用應力為58MPa，大于使用時的輥軸最小許用應力18MPa。由此可知，在600℃工況溫度下，輥軸采用風冷，使用40Cr材料能夠滿足使用安全。模擬計算出的輥軸平均溫度和實測的輥軸溫度相吻合。

（2）對于模擬計算結果二，查表1可知，550℃時，材質40Cr輥軸對應的許用應力為10.8MPa，小于使用時的輥軸最小許用應力18MPa。由此可知，在850℃工況溫度下，輥軸采用風冷，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。