PCS-5型立式破碎機過熱軸承原因分析及對策*

周 為，周文超

(宜賓職業技術學院，四川 宜賓 644003)

1 PCS-5型立式粉碎機結構及工作原理

PCS-5型立式粉碎機是四川宜賓金齒輪有限責任公司系列蜂窩煤機指定配套設備，用于將煤塊破解并傳輸至蜂窩煤機壓制成不同規格大小成品。該機具有結構簡單，操作維修方便，機械安裝占地面積小，單位功率粉碎比大，易于調節粉碎粒度，且可連續閉路粉碎等優點。自投產以來，累計生產數百臺，獲得蜂窩煤機用戶認可。

1.1 結構組成

PCS-5型立式粉碎機主要由電機(7.5 kW)、機體、間隙調整裝置、轉子部等結構單元組成。機體由料斗、筒體用鋼板焊接而成，筒體設計有一對活門，用于安裝維修之用；間隙調整裝置通過調整錘頭與筒體內襯板之間的間隙；轉子部主要由主軸、轉盤、軸承、軸承座、錘頭組成。

1.2 工作原理

PCS-5型立式粉碎機粉碎原理為：煤塊通過料斗進入粉碎機筒體后，受到高速旋轉錘頭撞擊而首次破碎；較小煤塊在離心力的作用下，高速沖向筒體內襯板，經過內襯板的反彈，再次被錘頭破碎。與此同時，煤塊之間也相互撞擊。如此反復，最終形成質量較小的煤炭顆粒從出料口排出，破碎細度可通過調整錘頭與筒體內襯板間隙大小來實現。

2 問題及分析

PCS-5型立式粉碎機自作為蜂窩煤機配套設備投放市場以來，質量信息反饋顯示：使用總體正常，但故障時有發生，個別用戶甚至要求退貨。根據2010年1～6月售后維修記錄統計，對各結構部故障及轉子部故障細分情況分析如表1、2所列。

表1 PCS-5型立式粉碎機各結構部故障率 /%

表2 轉子部各組件故障率 /%

根據表1和表2不難看出，“轉子部”在粉碎機各結構部故障率最高，而“軸承失效”又是“轉子部”的“重災區”。實際上，轉盤銷孔變形、錘頭磨損，都會導致旋轉體質量分布不均產生動不平衡，這種對轉子軸產生的周期性沖擊動載荷(撓力)一旦超過容許值，就會發生機器振動、軸承發熱失效。理論的分析同售后維修人員記錄故障情況相吻合：機器產生輕微振動伴有異響聲、軸承部位發熱燙手(已經超過60 ℃)、振動異響變大、電路開關跳閘、主軸“抱死”、電機燒毀。

造成PCS-5型立式粉碎機軸承過熱失效的原因主要有：電機轉子同主軸不同心、轉盤質量偏小、操作者班后養護不佳等三方面。

2.1 電機轉子軸同主軸不同心問題

2.1.1電機轉子軸同主軸不同心分析

(1) 轉子靜平衡和動平衡分析 立式破碎機轉子不平衡有兩種情況：①轉子重心不在轉子的旋轉軸上， 此時，必然產生靜力不平衡； ②轉子主慣性軸與旋轉軸線交錯， 且相交于轉子的重心上， 即回轉中心線與其幾何中心線相交， 當轉子旋轉時， 則產生不平衡力矩， 出現動力不平衡現象。這兩種不平衡現象都對轉子產生很大的動載荷 (即撓力) 從而引起機器的振動，使主軸、 軸承、 軸承座等零部件受力惡化。轉子產生不平衡離心力大小通過以下公式[1]計算：

式中：C為不平衡離心力(kg)；G為轉子的質量(kg)；e為轉子重心對旋轉軸的偏心距(mm)；ω為轉子的角速度( rad/s)；g為重力加速度。

圖1 軸聯接示意圖

(2) PCS-5型立式粉碎機傳動結構分析 PCS-5型立式粉碎機傳動結構如圖1所示，電機通過聯軸套同主軸硬連接。這樣就存在兩個不同心誤差：聯軸套同主軸產生一個聯接誤差，隨后同電機轉子產生另一個聯接誤差。兩個聯接誤差迭加形成累積誤差的大小，取決于制造質量、零件設計和裝配精度。

由于粉碎機轉子部各零件為全尺寸加工，且尺寸加工精度不低于IT3級、表面粗糙度不低于Ra12.5,因此，可以認定：轉子部各組件質量均勻分布，其重心和旋轉軸重合，產生的靜不平衡沖擊忽略不計[2]。

2.1.2電機轉子軸同主軸不同心的改進措施

(1) 聯接套的改進。聯接套的設計雖然提高了機械加工工藝性，卻帶來了裝配聯接誤差。經過多次討論，決定取消聯接套、改為在主軸端面鏜孔與電機轉子軸頸聯接。

(2) 為了選定電機轉子軸頸與主軸孔配合公差數據，經過反復試驗發現：隨著配合間隙增大，裝配容易，電機軸承、主軸軸承溫度下降，小于40 ℃，符合設計使用要求；但是，當配合間隙超過0.10 mm后，會加劇對聯接平鍵及其鍵槽的沖擊磨損。因此，優化的間隙配合公差范圍以+0.05～+0.08 mm為宜。試驗數據見表3所列。

表3 裝配公差試驗數據表

2.2 轉盤質量偏小

2.2.1轉盤轉動慣量分析

PCS-5型立式粉碎機轉盤由6塊組成、總重30kg，用于懸掛錘頭。粉碎機工作時，如果煤塊偏大且加料不均勻，會對轉子部造成較大的沖擊載荷。這種現象持續1 h后，軸承溫度會升高30℃。解決方法有兩個：在主軸上加裝一個飛輪以蓄能，或加大轉盤直徑增重以增加轉動慣量。其目的都是：當電機轉速增高時，轉子部動能增加，把能量貯蓄起來；當轉速降低時，轉子部動能減少，把能量釋放出來，用來減少機械運轉過程的速度波動。同時也可起到改變機器的共振頻率的作用，減少機器運行時的震動和噪音。

在主軸上加裝一個飛輪，雖然能夠明顯提高轉子部運轉平穩性，但需要增大電機功率、更換向心推力軸承型號，從而較大幅度增加成本。經過分析對比，最終排除這一方案。另一方案是：加大轉盤直徑和增加轉盤重量，以增大轉動慣量。具有結構改動小、生產成本控制好、效果同樣明顯等優點。

根據力學知識，一個剛性物體的轉動慣量取決于該物體的質量大小及分布狀況、質量與旋轉軸的距離。由于粉碎機加料不均勻對轉動部的沖擊載荷是隨機的，轉盤轉動慣量的增大減小對改善粉碎機運轉平穩的影響，可通過電機負載電流的變化來觀察[3]。

2.2.2增大轉盤轉動慣量的改進措施

為了確定粉碎機轉盤直徑及厚度數據，經過反復試驗發現：隨著轉盤尺寸增大，滿負荷加料操作，電機瞬時最高負載電流會有所下降、主軸軸承溫度也同時下降，小于50 ℃，符合設計使用要求；但是，當轉盤質量超過70 kg后，電機瞬時最高負載電流下降幅度減小，同時主軸軸承溫度有所上升。因此，優化的轉盤質量以總重60 kg左右為宜。試驗數據見表4所列。

表4 轉盤質量實驗數據表

2.3 操作者班后養護分析

根據售后維修人員反饋，操作不規范主要存在如下兩個方面：一是不能按時對軸承進行清洗換油或換油時加注過多；二是錘頭更換方法不對。

軸承內潤滑油過多、過少或老化也是引起軸承過熱而損壞的原因之一。按照使用說明書要求：粉碎機工作200 h后，應該對主軸軸承清洗換油，潤滑脂占軸承空間的70%～80%，過多或過少都不利于軸承潤滑和熱傳遞[4]。及時全部更換磨損的錘頭，以減小不規則磨損造成的動不平衡沖擊。

3 改進效果

為降低PCS-5型立式粉碎機主軸軸承過熱失效的故障率，反復分析產生的原因，一一落實改進措施，于2010年下半年改款粉碎機投放市場，接受用戶檢驗。根據售后質量跟蹤，主軸軸承過熱失效故障率大幅下降，生產效率由原來每班35 t提高到42 t，受到配套主廠和用戶好評。2010年上半年與2010年同

期軸承故障率變化情況對比如圖2所示。

圖2 PCS-5粉碎機軸承故障變化對比圖

4 結 語

粉碎機是礦山、建筑、水泥、冶金等行業廣泛使用的機械設備之一，主軸軸承又是粉碎機上很重要的零件。在生產實際中，主軸軸承過熱失效是粉碎機發生故障的最主要原因。引起主軸軸承發熱的因素有很多，結合PCS-5型立式粉碎機的使用情況，追蹤產品質量信息，采納用戶意見，經過反復分析，找出主軸軸承過熱故障的原因：聯軸器設計不合理、電機轉子裝配公差偏小、轉盤質量偏小等。針對存在問題進行改進，使得粉碎機設計、裝配工藝更合理。

參考文獻：

[1] 成大先.機械設計手冊(上冊)[M].北京：化學工業出版社，2000.

[2] 姜 波.鉗工工藝學 [M].北京：中國勞動社會保障出版社，2009.

[3] 李為民.機械工程設計實用案例[M].北京：機械工業出版社，1995.

[4] 宋昊明.狀態監測在預防設備事故及判斷故障上的應用[J].機械研究與應用，2010(5)：85-87.