礦磨選粉器傳動軸架的改進及優化設計

裴永勝

（上海云統創申智能科技有限公司 技術研發中心，上海 201306）

0 引言

近年來，隨著我國經濟建設的飛速發展，在世界經濟總量的占比越來越高，礦山機械設備的需要量也越來越大，其中礦山粉磨設備是礦山設備中的重要組成部分，可廣泛應用于國民經濟的各個行業如冶金、化工、電力、陶瓷、水泥、建筑等。例如水泥行業可用礦磨機磨制石灰石生料，建筑行業可用于制砂；可磨制冶金行業的廢棄礦渣，粉磨后的礦渣粉料可于水泥、建筑等行業變廢為寶，大大降低資源的浪費和改善環境。其中選粉器是礦山粉磨設備的重要部件，通過選粉器我們可以將粉磨后的粉體物料進行分選，選出符合要求的粒徑、料度大小以及粒形的產品。但礦磨設備選粉器在實際選粉工作運行中，運行環境比較惡劣，它需要在充滿運動顆粒粉塵、高溫、負壓的環境中長期高速運行，傳動軸架內的軸承很容易損壞，因不可避免的制造誤差，選粉器往往容易震動，造成相關設備頻頻出現故障，壽命降低，檢修率高。選粉器傳動軸架是選粉器的重要組成部分，在相同的工作條件下，如果傳動軸架結構強度高、密封效果好、運行平穩，可為磨粉機的高效工作和穩定運行提供有力的保障。本文就以某型礦磨設備選粉器傳動軸架結構優化設計為研究主題，為相關企業及同類設備的加工制造技術進步提高參考。

1 常見的選粉器故障及失效形式

1.1 軸承失效引起傳動軸卡死無法工作

因該型礦磨機選粉器傳動裝置的軸承一般由兩個軸承組成，其中一個為調心滾子軸承，另一個為推力調心滾子軸承，之所以選用調心滾子軸承就是為了適應傳動軸架的加工制造誤差，調心滾子軸承可適當補償傳動軸架加工制造中的不同心的加工制造誤差，保證選粉機正常工作。因此選粉器軸承的失效一般不是因為軸套的加工制造中的不同心誤差造成的，大部分是因為密封不嚴和潤滑問題。常見的有因密封不好和潤滑不暢等問題引起軸承過載，軸承過熱，運行時間久了軸承就會出現失效損壞，引起選粉機停機檢修。

1.2 傳動軸架焊縫失效開裂

礦磨機選粉器是在交變載荷作用下長期工作，選粉器傳動軸架一般由兩端的兩個軸套和外圈的錐體、中間的一個筒體和連接法蘭焊接而成，軸套和筒體之間的焊縫至關重要。該焊接結構的損壞和失效有可能造成較大損失，它可直接導致選粉機支承結構的破壞，從而導致選粉機傳動系統失效，選粉機將無法工作，嚴重的有可能造成選粉機脫落，掉到磨機筒體內，造成磨機內部其它粉磨設備的損壞。

傳動軸架焊縫失效開裂的成因分析：

焊縫失效開裂常見的有脆性開裂、塑性開裂、工件材質開裂、疲勞開裂、工件結構開裂、應力腐蝕開裂等多種失效形式[1]。脆性開裂斷口沒有明顯的塑性變形，有平齊的宏觀面，往往呈現晶體學平面或晶粒外形類似形態，表面有放射狀或者人字狀樣的花樣，相對較容易認知和甄別[2]。塑性開裂的特征是金屬斷裂時有塑性變形，隨著塑性變形增加，到某一時刻超過材料的抗拉強度而發生斷裂，可看到流線狀拖尾，結構斷裂后在有較大殘余變形，可看到金屬焊接斷口有邊緣翹曲、拉伸縮頸和結構變形。工件材質開裂一般是工件的材質不穩定或材質選用不合理，尤其是選用合金鋼焊件的時候更要小心，材質的合金含量越高，但韌性低，雖然強度增加明顯但往往同時帶來的是焊接淬硬性隨之增加，因此焊接工件的材質選擇就很總要了，所選工件材質一定要適應現場使用工況同時合理選用焊接工藝[3]。焊縫疲勞開裂就與述的情況不同了，它往往是首先由于金屬疲勞而出現輕微裂紋，該輕微裂紋一開始對材料的性能并無影響或影響很小，該裂紋在焊縫內部不易發現，然后隨著時間的推移焊縫裂紋緩慢擴展，這一過程可能緩慢，但在某一時刻，往往是突然發生的，事先往往并沒有征兆[4]。但疲勞斷裂因突發性，往往對企業的生產造成較大影響，同時疲勞斷裂時常常有連鎖反應同時造成設備相關零件的損壞，因此焊接件疲勞斷面的破壞力不容小覷。工件結構開裂是焊接工件結構設計不合理導致工件受力不好，導致焊接區域應力集中或產生塑性變形斷裂或錯邊搭接不好斷裂先從錯邊搭接焊縫開始失效。應力腐蝕開裂是零件在應力和化學腐蝕兩種作用下引起的焊縫開裂，這其中往往一種因素的作用不足以引起裂紋破壞的發生，但當二種因素聯合使用下，裂紋破壞很快發生，實際中這需要設備在交變載荷和高腐蝕的環境下工作，就要防止應力腐蝕焊接裂紋的發生了[5]。實際應用中它可能是一種或多種影響因素的疊加。

2 某型礦磨選粉器傳動軸架在實際應用中的焊接失效分析

如圖1所未的某型礦磨選粉器傳動軸架在現場使用一段時間后有焊縫開裂現象，開裂區域主要是在如圖所示A、B處發生，技術部門為了解決這一問題對該礦磨選粉器進行了技術分析。首先工件焊縫開裂處有輕微裂紋且有焊紋裂紋擴展痕跡，并且軸架出現焊縫開裂是在設備使用較長時間后出現的，因此判定它不是脆性開裂也不是工件材質開裂，軸架工作環境處含大量粉塵但并無腐蝕性物質，因此它也不是應力腐蝕開裂；在破壞的瞬間應該還有材料所承受的扭矩或應力超過材料所能承受的拉伸應力引起的材料屈服變形的現象發生，因此這應是疲勞開裂。該疲勞開裂應與原工件結構設計不完善相關，是二者相結合的產物，在破壞的瞬間應該還有材料塑性斷裂，判定為因原工件結構設計不完善引起的疲勞開裂和塑性開裂。

礦磨選粉器的傳動軸架結構圖如圖1 所示：

圖1 改進前傳動軸架結構及焊縫布置示意圖

圖1中序號1為上法蘭，它將與傳動輸入電機一側相關件連接，2為上軸套，這里將與傳動軸和支承軸承配合安裝，3為套管，傳動軸在此通過。4為下軸套，5為下法蘭，它將與選粉葉輪連接。圖中所示只是該傳動軸架的外形簡圖，并未標注詳細尺寸，實際結構應比此結構圖更細化和完善，這里不再詳述。如圖一所示，該磨粉機傳動軸架為焊接式傳動軸架，與鑄造式傳動軸架相比，該傳動軸架具有制造快捷、結構簡單、制造周期短、制造成本低等優點，但焊縫易開裂也是它的缺點。該選粉器實際使用中在A處B處有焊縫開裂現象。經前述分析后，結構改進如下圖2所示。

圖2中上軸套、下軸套與套管的焊接結構由直通式焊接結構改為帶臺階式的焊縫結構。A處B處的焊縫尺寸及形狀不變。該臺階式軸套與套管配合連接后再進行焊接的結構及與之相關的焊接工藝改進，大大提高了軸架的結構強度，使焊縫承受的剪切力及震動沖擊力大大降低，同時注意上軸套、下軸套與套管連接的C尺寸和D尺寸為配合尺寸，配合尺寸公差按過渡配合K7/h7制作。經過上述改進優化設計后，該型的選粉器工作穩定未再出現焊縫開裂的現象，取得了良好的改進優化效果。

圖2 改進后傳動軸架結構及焊縫布置示意圖

3 結語

本文首先論述了常見的礦磨選粉器失效的表現形式，一類是軸承失效引起傳動軸卡死，這個比較常見，大部分情況是因為密封不嚴和潤滑不暢等問題引起軸承過載、軸承過熱，運行時間久了軸承就會出現失效損壞引起選粉機停機檢修。筆者曾在磨機使用廠家的生產現場遇到過幾次這樣的問題。雖然這類選粉器設備故障較為常見，但這類故障簡單直接，很容易發現和判別，當然解決該類問題也就簡單和明確了。

另一種常見的磨粉機選粉器失效的表現形式是焊縫開裂，這一類問題雖然也容易發現，但往往不容易找到焊縫開裂失效的成因和對策。本文通過某型礦磨選粉器傳動軸架為例通過焊接工藝分析及不同種焊接缺陷的表現形式進行論述，通過斷口表現形式、裂紋特征及工作環境狀況綜合分析后確定該焊接缺陷為多種因素的組合產生的疲勞開裂和塑性開裂。但僅僅通過改善焊接工藝措施就能解決這一問題顯然是不夠的，或者說是片面的。本文最后通過對分離器傳動軸架的結構優化和不同焊接組件的機加工面過渡配合措施，然后再對焊接件進行焊接加工的結構改進及工藝優化措施，使傳動軸架的受力狀況大為改善，有效地降低了該類焊接缺陷的產生概率，提高了設備的性能，從而為各粉體制備企業的礦磨選粉機的設計制造提供參考。