中空軸產生裂紋的原因分析及處理

楊立志 靳軍

（淮北礦業相山水泥有限責任公司，安徽淮北235043）

中空軸產生裂紋的原因分析及處理

楊立志 靳軍

（淮北礦業相山水泥有限責任公司，安徽淮北235043）

我公司Φ3.8×13m水泥磨2004年投入運行，4年后的一次例行巡檢時，發現磨頭中空軸在軸頸處圓弧端面徑向產生了裂紋，裂紋弧長約370mm，經用X射線探測儀觀察，最大深度近17mm。

據了解，此類問題在不同的生產廠家曾發生多起，分析認為產生裂紋的原因與下列因素有關。

1 中空軸在軸頸圓弧面上應力最大、機械應力破壞最強

按照機械設計制造理論，凡具有一定轉速的轉動件（或稱轉子），由于材料組織不均勻、零件外形的誤差、裝配誤差、受熱變形以及結構現狀不對稱等原因，使通過轉動件或轉子重心的主慣性軸與旋轉軸線不相重合，因而旋轉時，轉動件或轉子產生不平衡離心力，其值可由下式計算：

式中：G——轉子的重量，kg；

e——轉子重心對旋轉軸線的偏移，即偏心距，mm；

ω——轉子的角速度，弧度/s；

n——轉子的轉速，r/m in；

g——重力加速度，9800mm/s。

由上式可知，當重型或高轉速的轉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、機械設備解體或基礎振動的主要原因之一。

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

設計部門在這類磨機的設計上，希望通過下述主要技術要求來尋求運轉的最佳狀態：

（1）磨機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，其標高允差為1mm，且只允許出料端低于進料端。

然而，由于受技術條件的限制，磨機在設計、材料組織、零件外形加工、測繪與裝配誤差、熱膨脹量以及結構不對稱等方面都與理想狀態相差較大，同時，磨機是一種受沖擊動載負荷很大的、必需靠運轉來作業的熱性剛體，而僅僅依靠磨頭磨尾兩個中空軸下的調心球面瓦在運動中自動調心不能從根本上消除平衡質量低下的問題（注：平衡質量用精度等級G表示，系指偏心距與角速度ω的乘積）。因此，在大多數情況下，磨機既存在靜不平衡，又存在動不平衡狀態。磨機主慣性軸線與旋轉軸線既不重合，又不互相平行，而是相交于磨機旋轉軸線中非重心的任何一點。當磨機旋轉時，就會產生一個不平衡的離心力和一個力矩，以致很難達到上述技術要求。根據機械應力強度理論，該不平衡的離心力和力矩共同作用在中空軸上，當超過其應力極限時，即可在應力集中的軸頸圓弧面上產生裂紋，進而誘發設備故障。

該磨中空軸外徑為Φ1740mm，進料孔內徑為Φ1480mm，超過軸頸處圓弧端面的直徑為Φ2130mm，彎曲圓弧的設計倒角為R185。對于磨機在冷態時的強度而言，只要R185區域內的鑄造無疏松、夾渣、裂紋、砂眼及縮孔等任何影響強度的缺陷存在，內部質量符合GB7233的Ⅰ級、表面質量符合JB/T9218-1999的Ⅰ級或GB/15822-1995的Ⅰ級，理論上是能夠達到設計標準的。但磨體在運轉狀態下具有熱脹冷縮能力，從不同的生產廠家發生的多起此類問題來看，R185的圓弧倒角設計應值得商榷。

2 不規范的操作產生熱應力，加劇了裂紋的形成

考慮到筒體熱脹冷縮因素，在設計安裝時，采用進料端主軸承的球面瓦與進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間隙為0.27～0.38mm。

但是，當磨機正常運行時，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）。

按照磨機的正確操作制度，當關停磨機的主電機后，輔傳還應運轉半小時后才能停車，且當磨機停后每5～10分鐘要將磨機運轉約半圈，直到磨機冷卻為止，以防止磨頭與中空軸軸頸產生過高的溫差壓力。對于長時停磨，還應把研磨體倒出，以防筒體彎曲。比對以上作業程序標準，從現場實際情況來看，還遠沒有做到。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，便采取了如下應急措施：

（1）沿裂紋的長度走向，在裂紋的兩端及中部拐點分別鉆Φ6mm深約20mm的工藝孔，以消除內應力，防止裂紋繼續擴展。

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

（3）每次停磨時作好仔細檢查并詳細記錄，防止事故的突然發生。同時盡量減少開停磨次數，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，并經長期運行觀察，至今未發現裂紋有繼續擴展的跡象，效果較好。

（編輯：方圓）

TQ172.632 文獻標識碼：B 文章編號：1007-6344（2010）04-0035-02

2010-03-23】