搖床軸瓦蓋斷裂的原因分析及解決措施

任 重

（長江工程職業技術學院，湖北武漢 430212）

搖床是一種重選設備，是利用機械搖動和水流沖洗的作用使礦粒按密度分離，進而實現鐵礦等礦物的精礦、中礦和尾礦的分離選別，在礦山選礦中應用十分廣泛。本文將針對我國某選礦設備生產企業研制的6－S型搖床在投入使用后不到一年時間，其傳動裝置中的軸瓦蓋接連發生斷裂的原因進行分析，提出相應解決措施，并通過實踐證明這些舉措從根本上解決了設備故障問題。這為今后該類型搖床的進一步改進升級，提高設備的可靠性提供了借鑒和參考。

1 問題的提出

6－S型搖床床頭采用曲柄搖桿機構推動床身往復運動來實現機械搖動，其傳動裝置如圖1所示。它主要由電機、一對皮帶輪、曲軸、搖臂、一對肘板、連桿、彈簧等幾個部件組成。其運動原理是：電機帶動一對皮帶輪減速后動力傳遞到偏心軸上，偏心軸在軸瓦蓋內轉動并帶動搖臂上下運動，使得兩塊肘板實現開合運動。肘板的運動帶動拉桿，實現其往返水平運動，從而轉化為床面的往復運動。

圖1 搖床傳動裝置

6－S型搖床在投入使用后不到一年時間里，大多數設備的軸瓦蓋耳根處發生斷裂，影響設備的正常使用，如圖2所示。下面我們將從材料力學角度對軸瓦蓋發生斷裂的原因進行分析，并對癥下藥提出解決措施，降低設備故障的幾率。

圖2 搖臂下方的軸瓦蓋

2 分析原因

從用戶現場提取斷裂樣本后發現斷裂發生在軸瓦蓋壁厚最薄處，且斷裂橫截面與軸瓦蓋受力方向垂直，比較符合材料拉斷的特征；另外，斷面組織比較稀松、毛糙，如圖3所示。下面我們將對搖臂的受力情況進行分析，并對其強度進行校核，最終分析總結出軸瓦蓋斷裂的根本原因。為方便進行受力分析，將搖床傳動裝置簡化為圖4所示的機構運動簡圖。

圖3 軸瓦蓋斷裂處樣本

2.1 搖臂受力分析

如圖3所示對搖臂進行受力分析。

（1）當曲軸轉動到最下端時，左、右肘板所受壓力為：F1＝F2＝3400cos10.73°＝3340.55 N，搖臂受拉力F3＝F4＝2F1sin10.73°＝1244 N，相應作用在軸瓦蓋耳根處（易斷裂處）的拉力為：FL＝622N。

（2）當曲軸轉動到最上端時，左、右肘板并不受力，此時搖臂受壓力為：F3＝F4＝G＝120N，相應作用在軸瓦蓋耳根處（易斷裂處）的壓力為：FY＝60N。

圖4 搖床傳動裝置的機構運動簡圖及受力分析圖

2.2 強度校核

軸瓦蓋材料為 HT100，抗拉強度為σb＝100 MPa；軸瓦蓋斷裂處截面積：

A＝70×12＝840mm2；則當軸瓦蓋耳根處的拉應力為：σL＝＝＝0.74 MPa，壓應力為：σY＝＝＝0.074 MPa，由此可見軸瓦蓋耳根處的拉應力和壓應力均不大于材料的抗拉強度σb＝100 MPa，故選用軸瓦蓋材料為HT100的強度是合格的。

2.3 疲勞強度校核

由搖床傳動裝置的工作原理可知：曲軸向上轉動時，搖臂受壓應力為σY＝0.074MPa；

反之，曲軸向下轉動時，搖臂受拉應力為σL＝0.74MPa。由此可見，搖臂所受的載荷為非對稱性循環載荷，此種載荷最容易使構建發生疲勞破壞。因此，要對搖臂下端常發生斷裂的軸瓦蓋耳根處進行疲勞強度校核。

已知條件：最大應力σmax＝0.74MPa，最小應力 σmin＝ －0.074MPa，平均應力σm＝＝0.666MPa，應力幅σa＝＝0.407MPa，循環非對稱性敏感系數ψσ＝0.2，疲勞缺口系數（搖臂存在橫孔）Kσ＝1.7，表面質量系數（鑄造）β＝0.75，尺寸系數εσ＝1.0，彎曲載荷下材料的對稱性疲勞強度極限σ－1＝0.1σb＝10MPa，疲勞安全系數nf＝2

疲勞強度的安全系數：

顯然：軸瓦蓋耳根處的疲勞強度也是合格的。

2.4 分析總結

通過對搖臂進行受力分析并進行強度和疲勞強度進行校核后，可以得出結論：采用抗拉強度100MPA的HT100鑄鐵是不會產生破壞的。因此，應根據軸瓦蓋斷裂標本，從鑄鐵材料的成型工藝特點、力學特性、搖臂工作情況及軸瓦蓋外形等方面進行分析促使軸瓦蓋耳根處斷裂的根本原因。

（1）從鑄鐵材料的成型工藝特點來講，如果鑄鐵內部存在缺陷會使鑄鐵的抗拉強度大大下降，從而縮短軸瓦蓋的壽命。從斷裂處的橫截面基體組織情況看，灰鑄鐵內部存在組織不均勻等缺陷，故鑄件澆注工藝不到位是導致構建經常斷裂的首要原因。

（2）鑄鐵屬于抗壓不抗拉的材料，而通過對搖臂進行受力分析可知其所受的拉力是壓力的10倍，且搖臂受到的是非對稱循環的交變載荷，因此軸瓦蓋材料選擇鑄鐵是不合適的。這一點可以從斷裂處橫截面與軸瓦蓋受力方向垂直這一特征上得到證實，材料并不是被壓斷的，而是在交變載荷作用下被拉斷的。

（3）軸瓦蓋內部軸瓦是耐磨的巴氏合金，并在油液中進行工作，但若機油標號選擇不合適，則會因軸瓦產生的磨損使搖臂孔與曲軸間產生間隙，由此產生的附加力使軸瓦蓋薄弱處產生斷裂。

（4）由圖2可知，軸瓦蓋耳根處截面驟然變小，且存在應力集中現象，更加重了在此處斷裂的幾率。

3 解決措施

（1）更換材料。經過退火等熱處理的鑄鋼組織均勻細密，抗拉性能要遠遠優于鑄鐵材料。以型號ZG200－400的鑄鋼（一般工程用鑄鋼）為例進行疲勞強度驗算，其工作安全系數遠遠大于設計安全系數，其壽命可為HT100鑄鐵材料的8倍。

（2）改善潤滑條件。可采用比巴氏合金更為耐磨的材料，但價格就會升高，因此并不可取。可通過改善軸瓦與曲軸的潤滑條件，如定期更滑機油、選擇標號更高的機油及采用更好油封。

（3）改善軸瓦蓋外形。可通過在經常斷裂處加過度圓弧以減小應力集中，也可增加厚度以提高強度。

（4）定期調節軸瓦與曲軸間隙。通過定期調節軸瓦與曲軸間隙可及時減少軸瓦與曲軸間產生的附加力。

4 結 語

軸瓦蓋是搖床的重要部件，經常斷裂將會嚴重影響設備的正常運轉。本文從查找軸瓦蓋斷裂的原因入手，通過受力分析、強度、疲勞強度校核，總結出了軸瓦蓋斷裂真正原因所在，并提出相應的解決措施。實踐證明，采取更換材料、外形優化和定期調整間隙等措施后，軸瓦蓋發生斷裂的次數大大減少，保證了搖床設備的正常使用，這對該型搖床在選礦行業能夠發揮更大的作用有著長遠的工程實際意義。

1 舒宏禮，吳世友.軸瓦的特殊損傷及預防［J］.南方農機，2004（06）