大型機械攪拌裝置懸臂式攪拌軸斷軸事故分析

雷海兵

(湖南長高礦山機電設備有限公司,湖南長沙 410015)

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大型機械攪拌裝置懸臂式攪拌軸斷軸事故分析

雷海兵

(湖南長高礦山機電設備有限公司,湖南長沙 410015)

對大型攪拌裝置,懸臂長超過6 000 mm需要接駁的攪拌軸斷軸事故進行分析。從理論計算著手,計算出其安全系數,并討論加工對軸的影響。得出此類軸的設計除按靜強度計算和臨界轉速校核之外,還必需對危險斷面進行疲勞強度的校核,最終確定軸的尺寸。

斷軸;理論計算;安全系數;臨界轉速;疲勞強度;殘余熱應力

在選礦行業中,曾多次發生過80～1 500 m3機械攪拌設備斷軸事故,本文從攪拌軸的數學模型分析,得出攪拌軸設計和加工時應注意的問題,避免再次發生斷軸事故。

1 力學模型

垂直安置在攪拌槽中心的攪拌裝置正常工作時,攪拌器受扭矩T和流體徑向力Fhi以及軸向推力FA(如圖1所示)。流體徑向力Fhi主要是介質對攪拌器的作用力和攪拌器質心偏移引起的離心力,軸向推力FA主要是介質反推力和攪拌器的重力。

2 工程實例

某濕法煉鋅廠Φ12 700 mm×13 000 mm貯液槽,其攪拌裝置的參數見表1。

3 校 核

校核上述濕法煉鋅廠攪拌裝置的攪拌軸強度與臨界轉速,見表2。

4 實際運行情況

濕法煉鋅廠攪拌裝置的攪拌軸是由Φ273 mm ×12 mm的不銹鋼管軸與法蘭聯接,運行四個月后發生斷裂,如圖2所示。

由圖2可以看出,兩根軸的斷裂都在管軸與法蘭環焊縫下面附近,斷口未見塑性變形,這是典型的

疲勞破壞。

圖1 力學模型

表1 工程實例攪拌裝置的參數

表2 軸強度與臨界轉速的校核

圖2 攪拌軸實際運行時的斷裂照片

5 核算攪拌軸危險斷面疲勞強度

攪拌軸在K-K危險斷面處發生斷裂,這一斷面是結構上存在應力集中和焊接熱應力最大的區段。

校核攪拌軸危險斷面疲勞強度結果見表3。

表3 攪拌軸危險斷面疲勞強度的校核

軸的材質為316不銹鋼,屬于奧氏體型的不銹鋼,其性能參數見表4。

表4 奧氏體型的不銹鋼性能參數

設法蘭與軸連接處角焊縫高度10 mm,可認為圓角r=10 mm,則r/d=10/273=0.037,D/d= 400/273=1.465。查出彎曲理論應力集中系數ασ= 1.9,敏感性系數q=0.67,扭轉理論應力集中系數ατ=1.8。

計算有效應力集中系數:

按軸徑D=273×12 mm,查出合金鋼的尺寸系數ε=0.6,根據耐酸不銹鋼腐蝕性介質相當于鋼在淡水介質條件,查出表面加工系數β=0.6,若按未加工表面,則β=0.75。

計算的疲勞安全系數見表5。

表5 疲勞安全系數

由于焊縫存在,載荷及應力的計算精度較差,且可能存在焊接熱應力,取[n]=1.5～1.8。

實際工作過程多臺Φ273 mm×12 mm的軸已發生了斷裂。

改用Φ325 mm×12 mm不銹鋼無縫管,核算結果見表6。

所以改用了Φ325 mm×12 mm不銹鋼無縫管之后,設備到目前已正常運轉2 a多。

6 結束語

攪拌裝置的攪拌軸是在循環變應力下工作的轉軸,其大多是由于局部應力處產生裂紋,在變應力作用下擴展而最終導致斷裂。

所以對于大型攪拌裝置,懸臂長超過6 000 mm需要接駁的攪拌軸,其結構都存在應力集中的熔焊熱應力區段,因此除按靜強度計算和臨界轉速校核之外,還必需對危險斷面進行疲勞強度的校核,最終確定軸的尺寸。攪拌軸的結構設計除采取避免造成應力集中的措施外,還應在制作工藝上進行局部熱處理以消除焊接所產生的殘余熱應力,特別是采用耐酸的奧氏體不銹鋼制作的大型攪拌軸,更應注意。

表6 奧氏體型的不銹鋼性能參數

[1] HG/T 20569-94,機械攪拌設備[S].

[2] 有色金屬冶煉設備編委會.濕法冶煉設備(有色金屬冶煉設備第二卷)[M].北京:冶金工業出版社,1993.

[3] 徐灝.疲勞強度設計[M].北京:機械工業出版社,1981.

Abstract:For large mixing device the broken shaft accident was anayzed of long cantilever over 6 000 mm which needs to connect the stirring shaft.From theoretical calculations proceed,calculate the factor of safety,and discuss the effect of processing on the shaft.It is found that these shaft design needs not only the static strength calculation and critical speed of checking,but also check the dangerous section of fatigue strength,then ultimately determine the shaft size.

Key words:off axis;theoretical calculation;safety factor;critical speed;fatigue strength;residual stress

Broken Shaft Accident Analysis of Large-scale Mechanical Mixing Device Cantilevered Mixing Shaft

L EI Hai-bing
(Hunan Changgao Mineral Machinery Co.,Ltd,Changsha410015,China)

TH213.1

A

1003-5540(2012)03-0069-03

2012-03-29

雷海兵(1984-),男,助理工程師,主要從事攪拌槽、浮選柱等礦山機械的設計。