第二代高温辊式破碎机用辊轴的研究

刘旭，尤小平，孙志鹏，刘劲松，王磊

冷却机用第一代中置辊式破碎机根据辊圈（T1005N）使用温度，放置在600℃～650℃区间内，前、后篦床长度的比例为7：4，辊轴材料为40Cr，冷却方式为风冷，使用安全可靠。

冷却机用第二代中置辊式破碎机根据辊圈（T1005S）使用温度，放置在800℃～850℃区间内，前、后篦床长度的比例为5：6。目前，第二代中置辊式破碎机辊轴需要解决以下两个问题：

（1）辊轴的材料能否满足使用要求；

（2）辊轴的冷却方式能否满足运行要求。

1 辊式破碎机设备相关数据参数

高温辊式破碎机设备主要由辊圈、辊轴、框架、轴风冷系统组成，辊轴外部套上一定数量辊圈，组成一排辊套。

1.1 辊轴的设计尺寸及相关参数

辊轴、辊圈的内、外径尺寸以设计图纸为准，辊轴不同材质在不同温度下的许用应力值见表1。

表1 不同温度下材料的许用应力值

1.2 辊轴使用时的最小许用应力值计算

一排组装好辊圈的辊轴重量约为9 000kg，驱动一排组装好的辊轴，扭矩约为60kN·m，辊轴在正常工作时的最小许用应力计算如下：

（1）自身重力在中空轴上产生的静态剪切应力

（2）传动时，横截面的最大剪切应力

式中：

T——扭矩

Wp——扭转截面系数

式中：

a——圆管内直径d/圆管外直径D

T=60kN·m=6×104N·m

Wp=0.003 59m3

τmax=1.67×107Pa=16.7MPa

结合式（1）、式（2）所得，辊轴自身的许用应力不得＜18MPa，该许用应力是指在任何温度下的最低许用应力要求（见表1）。

1.3 通风冷却情况

辊式破碎机设备在正常运行时，辊轴内部通风，对辊轴进行热交换冷却保护；同时，辊式破碎机设备布置在冷却机设备中，有从下向上通过的冷却风，对物料进行冷却，变相对辊圈和辊轴进行保护。

通过现场测量，辊式破碎机中心轴风冷前后的温差为60℃，在冷却机内部，风从下向上通过辊式破碎机后，温差为80℃。

辊圈材质为高合金钢，辊轴材质为40Cr，二者的导热系数均为47λ/W/（m·K）；CO2+O2的热传导系数为10～100h/W/（m2·K）。

2 模拟计算

2.1 理论基础

模拟计算的理论基础为傅里叶定律（固体和固体热传导）、牛顿冷却定律（流体和固体热传导）。

2.2 模型建立

第一步：风从辊式破碎机下部到上部和物料进行热传导，风温差△T1；

第二步：物料和辊圈热传导；

第三步：辊圈和辊轴热传导；

第四步：辊轴和内部冷却风进行热传导，风温差△T2（见图1）。

2.3 Mathematica软件计算

△T1=80℃，△T2=60℃

图1 辊轴热传导模型简图

（1）模拟计算结果一

工况温度为600℃时，采用风冷，材料为40Cr的辊轴，内壁温度为263℃，外壁温度为421℃，辊轴平均温度为342℃。

（2）模拟计算结果二

工况温度为850℃时，采用风冷，材料为40Cr的辊轴，内壁温度为480℃，外壁温度为626℃，辊轴平均温度为553℃。

3 结果分析

（1）对于模拟计算结果一，查表1可知，450℃时，材质40Cr辊轴对应的许用应力为58MPa，大于使用时的辊轴最小许用应力18MPa。由此可知，在600℃工况温度下，辊轴采用风冷，使用40Cr材料能够满足使用安全。模拟计算出的辊轴平均温度和实测的辊轴温度相吻合。

（2）对于模拟计算结果二，查表1可知，550℃时，材质40Cr辊轴对应的许用应力为10.8MPa，小于使用时的辊轴最小许用应力18MPa。由此可知，在850℃工况温度下，辊轴采用风冷，使用40Cr材料不能满足使用安全。若要满足使用要求只能采取两种方案：一是仍采用风冷，辊轴材料采用0Cr18Ni9替换40Cr；另一种是辊轴材料不变，冷却方式改为水冷。