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          分析螺旋分级机基本情况寻找轴开裂原因

          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。

          某水泥厂家采用一台Φ2.2m×15m、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100mm处出现径向裂纹,裂纹长度从50mm逐步增长到100mm,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。

          螺旋分极机

          设备的基本情况

          1、螺旋分级机基本参数

          螺旋分级机规格▓▓:Φ2.2m×15m;直径:Φ2200mm,长度15m▄■▄,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1.6t/m³■■■;输送能力:75t/h;减速电机:功率45kW▄■▄■,电机额定转速1000r/min,速比17,输出扭矩6750N·m▓▄▓▄;齿轮传动副:传动比4.135,输出转速13.6r/min,输出扭矩6750×4.135×η=29126N▄▓·m▓█▄■;传动轴的两支点间距为15100mm+685mm=15785mm=15.785m。

          2、轴的构造

          轴总长:16000mm▄■▓,传动段轴采用锻造,长度为900mm,采用三段变径,由Φ300mm变至Φ340mm▄▓,再变为Φ360mm,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15100mm,规格▓█:530×28,即外径D=530mm,内径d=474mm,壁厚28mm█■▄,材质为16Mn。由于无缝钢管单管较大长度为12500mm,因此需要再增加一段长度约为2500mm的无缝钢管拼接,这次径向裂缝就产生在靠焊缝100mm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=450mm▓▓,内径d=390mm,壁厚30mm,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Φ475mm。

          螺旋分极机

          轴开裂原因分析与处理

          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450mm扩至475mm■■■,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 ,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█■▄, 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▄■▄,这也是螺旋分级机轴出现径向裂纹的一个原因之一。

          2、强度计算分析

          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。

          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100mm左右出现的径向裂纹,可能是轴的刚度不足,挠度过大▓▄▓▄,因此本文主要对轴的挠度进行分析计算。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▄▓,所以轴的较大挠度为4.864cm▓█▄■。

          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 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。

          螺旋分极机

          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。

          经过计算,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:11756kg;老轴重量:4936kg▄■▄;重量增加:6820kg;q=(16000+6820)/16=1426kg/m■■■。

          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。

          螺旋分级机

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