中空轴产生裂纹的原因分析及处理

2010-09-13杨立志靳军

四川水泥 2010年4期

关键词：离心力轴颈磨机

杨立志靳军

（淮北矿业相山水泥有限责任公司，安徽淮北235043）

中空轴产生裂纹的原因分析及处理

杨立志靳军

（淮北矿业相山水泥有限责任公司，安徽淮北235043）

我公司Φ3.8×13m水泥磨2004年投入运行，4年后的一次例行巡检时，发现磨头中空轴在轴颈处圆弧端面径向产生了裂纹，裂纹弧长约370mm，经用X射线探测仪观察，最大深度近17mm。

据了解，此类问题在不同的生产厂家曾发生多起，分析认为产生裂纹的原因与下列因素有关。

1 中空轴在轴颈圆弧面上应力最大、机械应力破坏最强

按照机械设计制造理论，凡具有一定转速的转动件（或称转子），由于材料组织不均匀、零件外形的误差、装配误差、受热变形以及结构现状不对称等原因，使通过转动件或转子重心的主惯性轴与旋转轴线不相重合，因而旋转时，转动件或转子产生不平衡离心力，其值可由下式计算：

式中：G——转子的重量，kg；

e——转子重心对旋转轴线的偏移，即偏心距，mm；

ω——转子的角速度，弧度/s；

n——转子的转速，r/m in；

g——重力加速度，9800mm/s。

由上式可知，当重型或高转速的转子即使具有很小的偏心距，也会引起非常大的不平衡的离心力，成为轴或轴承磨损、机械设备解体或基础振动的主要原因之一。

而转子不平衡分两种情况：①静不平衡——即转子主惯性轴与旋转轴线不相重合，但相互平行，也就是转子重心不在旋转轴线上，当转子旋转时，将产生不平衡的离心力；②动不平衡——即转子主惯性轴与旋转轴线交错，且相交于转子的重心上，即转子的重心在旋转轴上。这时转子虽处于静平衡状态，但转子旋转时，将产生一不平衡力矩。

设计部门在这类磨机的设计上，希望通过下述主要技术要求来寻求运转的最佳状态：

（1）磨机的两端中空轴装配后的同轴度为0.25mm；

（2）法兰端面与中空轴轴颈的端面跳动不得大于0.3mm；

（3）两主轴承基础上的横向中心线距离误差不超过磨体热胀量的1/10，最大不得超过1mm；

（4）两中空轴的上母线在同一水平面上，其标高允差为1mm，且只允许出料端低于进料端。

然而，由于受技术条件的限制，磨机在设计、材料组织、零件外形加工、测绘与装配误差、热膨胀量以及结构不对称等方面都与理想状态相差较大，同时，磨机是一种受冲击动载负荷很大的、必需靠运转来作业的热性刚体，而仅仅依靠磨头磨尾两个中空轴下的调心球面瓦在运动中自动调心不能从根本上消除平衡质量低下的问题（注：平衡质量用精度等级G表示，系指偏心距与角速度ω的乘积）。因此，在大多数情况下，磨机既存在静不平衡，又存在动不平衡状态。磨机主惯性轴线与旋转轴线既不重合，又不互相平行，而是相交于磨机旋转轴线中非重心的任何一点。当磨机旋转时，就会产生一个不平衡的离心力和一个力矩，以致很难达到上述技术要求。根据机械应力强度理论，该不平衡的离心力和力矩共同作用在中空轴上，当超过其应力极限时，即可在应力集中的轴颈圆弧面上产生裂纹，进而诱发设备故障。

该磨中空轴外径为Φ1740mm，进料孔内径为Φ1480mm，超过轴颈处圆弧端面的直径为Φ2130mm，弯曲圆弧的设计倒角为R185。对于磨机在冷态时的强度而言，只要R185区域内的铸造无疏松、夹渣、裂纹、砂眼及缩孔等任何影响强度的缺陷存在，内部质量符合GB7233的Ⅰ级、表面质量符合JB/T9218-1999的Ⅰ级或GB/15822-1995的Ⅰ级，理论上是能够达到设计标准的。但磨体在运转状态下具有热胀冷缩能力，从不同的生产厂家发生的多起此类问题来看，R185的圆弧倒角设计应值得商榷。

2 不规范的操作产生热应力，加剧了裂纹的形成

考虑到筒体热胀冷缩因素，在设计安装时，采用进料端主轴承的球面瓦与进料中空轴轴颈在长度的配合上留有一定的间隙，使得筒体轴向收缩与膨胀有足够的空间，用于控制筒体的收缩与膨胀。该磨主轴承球面瓦与中空轴轴颈配合侧间隙为0.27～0.38mm。

但是，当磨机正常运行时，由于研磨体与物料之间的粉磨作用，磨体自身温度一般大于60℃，且从进料端至出料端呈非线性递增，而中空轴在润滑油的冷却下，温度一般不超过40℃。用手持式红外线测温仪现场测量证明，温差在20℃的集中部位在中空轴轴颈所处的端弧面上，形成了一个明显的温差界面（线）。

按照磨机的正确操作制度，当关停磨机的主电机后，辅传还应运转半小时后才能停车，且当磨机停后每5～10分钟要将磨机运转约半圈，直到磨机冷却为止，以防止磨头与中空轴轴颈产生过高的温差压力。对于长时停磨，还应把研磨体倒出，以防筒体弯曲。比对以上作业程序标准，从现场实际情况来看，还远没有做到。这也是加剧裂纹形成的重要原因之一。