摇床轴瓦盖断裂的原因分析及解决措施

任 重

（长江工程职业技术学院，湖北武汉 430212）

摇床是一种重选设备，是利用机械摇动和水流冲洗的作用使矿粒按密度分离，进而实现铁矿等矿物的精矿、中矿和尾矿的分离选别，在矿山选矿中应用十分广泛。本文将针对我国某选矿设备生产企业研制的6－S型摇床在投入使用后不到一年时间，其传动装置中的轴瓦盖接连发生断裂的原因进行分析，提出相应解决措施，并通过实践证明这些举措从根本上解决了设备故障问题。这为今后该类型摇床的进一步改进升级，提高设备的可靠性提供了借鉴和参考。

1 问题的提出

6－S型摇床床头采用曲柄摇杆机构推动床身往复运动来实现机械摇动，其传动装置如图1所示。它主要由电机、一对皮带轮、曲轴、摇臂、一对肘板、连杆、弹簧等几个部件组成。其运动原理是：电机带动一对皮带轮减速后动力传递到偏心轴上，偏心轴在轴瓦盖内转动并带动摇臂上下运动，使得两块肘板实现开合运动。肘板的运动带动拉杆，实现其往返水平运动，从而转化为床面的往复运动。

图1 摇床传动装置

6－S型摇床在投入使用后不到一年时间里，大多数设备的轴瓦盖耳根处发生断裂，影响设备的正常使用，如图2所示。下面我们将从材料力学角度对轴瓦盖发生断裂的原因进行分析，并对症下药提出解决措施，降低设备故障的几率。

图2 摇臂下方的轴瓦盖

2 分析原因

从用户现场提取断裂样本后发现断裂发生在轴瓦盖壁厚最薄处，且断裂横截面与轴瓦盖受力方向垂直，比较符合材料拉断的特征；另外，断面组织比较稀松、毛糙，如图3所示。下面我们将对摇臂的受力情况进行分析，并对其强度进行校核，最终分析总结出轴瓦盖断裂的根本原因。为方便进行受力分析，将摇床传动装置简化为图4所示的机构运动简图。

图3 轴瓦盖断裂处样本

2.1 摇臂受力分析

如图3所示对摇臂进行受力分析。

（1）当曲轴转动到最下端时，左、右肘板所受压力为：F1＝F2＝3400cos10.73°＝3340.55 N，摇臂受拉力F3＝F4＝2F1sin10.73°＝1244 N，相应作用在轴瓦盖耳根处（易断裂处）的拉力为：FL＝622N。

（2）当曲轴转动到最上端时，左、右肘板并不受力，此时摇臂受压力为：F3＝F4＝G＝120N，相应作用在轴瓦盖耳根处（易断裂处）的压力为：FY＝60N。

图4 摇床传动装置的机构运动简图及受力分析图

2.2 强度校核

轴瓦盖材料为 HT100，抗拉强度为σb＝100 MPa；轴瓦盖断裂处截面积：

A＝70×12＝840mm2；则当轴瓦盖耳根处的拉应力为：σL＝＝＝0.74 MPa，压应力为：σY＝＝＝0.074 MPa，由此可见轴瓦盖耳根处的拉应力和压应力均不大于材料的抗拉强度σb＝100 MPa，故选用轴瓦盖材料为HT100的强度是合格的。

2.3 疲劳强度校核

由摇床传动装置的工作原理可知：曲轴向上转动时，摇臂受压应力为σY＝0.074MPa；

反之，曲轴向下转动时，摇臂受拉应力为σL＝0.74MPa。由此可见，摇臂所受的载荷为非对称性循环载荷，此种载荷最容易使构建发生疲劳破坏。因此，要对摇臂下端常发生断裂的轴瓦盖耳根处进行疲劳强度校核。

已知条件：最大应力σmax＝0.74MPa，最小应力 σmin＝ －0.074MPa，平均应力σm＝＝0.666MPa，应力幅σa＝＝0.407MPa，循环非对称性敏感系数ψσ＝0.2，疲劳缺口系数（摇臂存在横孔）Kσ＝1.7，表面质量系数（铸造）β＝0.75，尺寸系数εσ＝1.0，弯曲载荷下材料的对称性疲劳强度极限σ－1＝0.1σb＝10MPa，疲劳安全系数nf＝2

疲劳强度的安全系数：

显然：轴瓦盖耳根处的疲劳强度也是合格的。

2.4 分析总结

通过对摇臂进行受力分析并进行强度和疲劳强度进行校核后，可以得出结论：采用抗拉强度100MPA的HT100铸铁是不会产生破坏的。因此，应根据轴瓦盖断裂标本，从铸铁材料的成型工艺特点、力学特性、摇臂工作情况及轴瓦盖外形等方面进行分析促使轴瓦盖耳根处断裂的根本原因。

（1）从铸铁材料的成型工艺特点来讲，如果铸铁内部存在缺陷会使铸铁的抗拉强度大大下降，从而缩短轴瓦盖的寿命。从断裂处的横截面基体组织情况看，灰铸铁内部存在组织不均匀等缺陷，故铸件浇注工艺不到位是导致构建经常断裂的首要原因。

（2）铸铁属于抗压不抗拉的材料，而通过对摇臂进行受力分析可知其所受的拉力是压力的10倍，且摇臂受到的是非对称循环的交变载荷，因此轴瓦盖材料选择铸铁是不合适的。这一点可以从断裂处横截面与轴瓦盖受力方向垂直这一特征上得到证实，材料并不是被压断的，而是在交变载荷作用下被拉断的。

（3）轴瓦盖内部轴瓦是耐磨的巴氏合金，并在油液中进行工作，但若机油标号选择不合适，则会因轴瓦产生的磨损使摇臂孔与曲轴间产生间隙，由此产生的附加力使轴瓦盖薄弱处产生断裂。

（4）由图2可知，轴瓦盖耳根处截面骤然变小，且存在应力集中现象，更加重了在此处断裂的几率。

3 解决措施

（1）更换材料。经过退火等热处理的铸钢组织均匀细密，抗拉性能要远远优于铸铁材料。以型号ZG200－400的铸钢（一般工程用铸钢）为例进行疲劳强度验算，其工作安全系数远远大于设计安全系数，其寿命可为HT100铸铁材料的8倍。

（2）改善润滑条件。可采用比巴氏合金更为耐磨的材料，但价格就会升高，因此并不可取。可通过改善轴瓦与曲轴的润滑条件，如定期更滑机油、选择标号更高的机油及采用更好油封。

（3）改善轴瓦盖外形。可通过在经常断裂处加过度圆弧以减小应力集中，也可增加厚度以提高强度。

（4）定期调节轴瓦与曲轴间隙。通过定期调节轴瓦与曲轴间隙可及时减少轴瓦与曲轴间产生的附加力。

4 结 语

轴瓦盖是摇床的重要部件，经常断裂将会严重影响设备的正常运转。本文从查找轴瓦盖断裂的原因入手，通过受力分析、强度、疲劳强度校核，总结出了轴瓦盖断裂真正原因所在，并提出相应的解决措施。实践证明，采取更换材料、外形优化和定期调整间隙等措施后，轴瓦盖发生断裂的次数大大减少，保证了摇床设备的正常使用，这对该型摇床在选矿行业能够发挥更大的作用有着长远的工程实际意义。

1 舒宏礼，吴世友.轴瓦的特殊损伤及预防［J］.南方农机，2004（06）