PCS-5型立式破碎機(jī)過(guò)熱軸承原因分析及對(duì)策*

周 為，周文超

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644003)

1 PCS-5型立式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

PCS-5型立式粉碎機(jī)是四川宜賓金齒輪有限責(zé)任公司系列蜂窩煤機(jī)指定配套設(shè)備，用于將煤塊破解并傳輸至蜂窩煤機(jī)壓制成不同規(guī)格大小成品。該機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作維修方便，機(jī)械安裝占地面積小，單位功率粉碎比大，易于調(diào)節(jié)粉碎粒度，且可連續(xù)閉路粉碎等優(yōu)點(diǎn)。自投產(chǎn)以來(lái)，累計(jì)生產(chǎn)數(shù)百臺(tái)，獲得蜂窩煤機(jī)用戶認(rèn)可。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

PCS-5型立式粉碎機(jī)主要由電機(jī)(7.5 kW)、機(jī)體、間隙調(diào)整裝置、轉(zhuǎn)子部等結(jié)構(gòu)單元組成。機(jī)體由料斗、筒體用鋼板焊接而成，筒體設(shè)計(jì)有一對(duì)活門，用于安裝維修之用；間隙調(diào)整裝置通過(guò)調(diào)整錘頭與筒體內(nèi)襯板之間的間隙；轉(zhuǎn)子部主要由主軸、轉(zhuǎn)盤、軸承、軸承座、錘頭組成。

1.2 工作原理

PCS-5型立式粉碎機(jī)粉碎原理為：煤塊通過(guò)料斗進(jìn)入粉碎機(jī)筒體后，受到高速旋轉(zhuǎn)錘頭撞擊而首次破碎；較小煤塊在離心力的作用下，高速?zèng)_向筒體內(nèi)襯板，經(jīng)過(guò)內(nèi)襯板的反彈，再次被錘頭破碎。與此同時(shí)，煤塊之間也相互撞擊。如此反復(fù)，最終形成質(zhì)量較小的煤炭顆粒從出料口排出，破碎細(xì)度可通過(guò)調(diào)整錘頭與筒體內(nèi)襯板間隙大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 問(wèn)題及分析

PCS-5型立式粉碎機(jī)自作為蜂窩煤機(jī)配套設(shè)備投放市場(chǎng)以來(lái)，質(zhì)量信息反饋顯示：使用總體正常，但故障時(shí)有發(fā)生，個(gè)別用戶甚至要求退貨。根據(jù)2010年1～6月售后維修記錄統(tǒng)計(jì)，對(duì)各結(jié)構(gòu)部故障及轉(zhuǎn)子部故障細(xì)分情況分析如表1、2所列。

表1 PCS-5型立式粉碎機(jī)各結(jié)構(gòu)部故障率 /%

表2 轉(zhuǎn)子部各組件故障率 /%

根據(jù)表1和表2不難看出，“轉(zhuǎn)子部”在粉碎機(jī)各結(jié)構(gòu)部故障率最高，而“軸承失效”又是“轉(zhuǎn)子部”的“重災(zāi)區(qū)”。實(shí)際上，轉(zhuǎn)盤銷孔變形、錘頭磨損，都會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量分布不均產(chǎn)生動(dòng)不平衡，這種對(duì)轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生的周期性沖擊動(dòng)載荷(撓力)一旦超過(guò)容許值，就會(huì)發(fā)生機(jī)器振動(dòng)、軸承發(fā)熱失效。理論的分析同售后維修人員記錄故障情況相吻合：機(jī)器產(chǎn)生輕微振動(dòng)伴有異響聲、軸承部位發(fā)熱燙手(已經(jīng)超過(guò)60 ℃)、振動(dòng)異響變大、電路開(kāi)關(guān)跳閘、主軸“抱死”、電機(jī)燒毀。

造成PCS-5型立式粉碎機(jī)軸承過(guò)熱失效的原因主要有：電機(jī)轉(zhuǎn)子同主軸不同心、轉(zhuǎn)盤質(zhì)量偏小、操作者班后養(yǎng)護(hù)不佳等三方面。

2.1 電機(jī)轉(zhuǎn)子軸同主軸不同心問(wèn)題

2.1.1電機(jī)轉(zhuǎn)子軸同主軸不同心分析

(1) 轉(zhuǎn)子靜平衡和動(dòng)平衡分析 立式破碎機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡有兩種情況：①轉(zhuǎn)子重心不在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸上， 此時(shí)，必然產(chǎn)生靜力不平衡； ②轉(zhuǎn)子主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線交錯(cuò)， 且相交于轉(zhuǎn)子的重心上， 即回轉(zhuǎn)中心線與其幾何中心線相交， 當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)， 則產(chǎn)生不平衡力矩， 出現(xiàn)動(dòng)力不平衡現(xiàn)象。這兩種不平衡現(xiàn)象都對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生很大的動(dòng)載荷 (即撓力) 從而引起機(jī)器的振動(dòng)，使主軸、 軸承、 軸承座等零部件受力惡化。轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡離心力大小通過(guò)以下公式[1]計(jì)算：

式中：C為不平衡離心力(kg)；G為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量(kg)；e為轉(zhuǎn)子重心對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的偏心距(mm)；ω為轉(zhuǎn)子的角速度( rad/s)；g為重力加速度。

圖1 軸聯(lián)接示意圖

(2) PCS-5型立式粉碎機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析 PCS-5型立式粉碎機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸套同主軸硬連接。這樣就存在兩個(gè)不同心誤差：聯(lián)軸套同主軸產(chǎn)生一個(gè)聯(lián)接誤差，隨后同電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生另一個(gè)聯(lián)接誤差。兩個(gè)聯(lián)接誤差迭加形成累積誤差的大小，取決于制造質(zhì)量、零件設(shè)計(jì)和裝配精度。

由于粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子部各零件為全尺寸加工，且尺寸加工精度不低于IT3級(jí)、表面粗糙度不低于Ra12.5,因此，可以認(rèn)定：轉(zhuǎn)子部各組件質(zhì)量均勻分布，其重心和旋轉(zhuǎn)軸重合，產(chǎn)生的靜不平衡沖擊忽略不計(jì)[2]。

2.1.2電機(jī)轉(zhuǎn)子軸同主軸不同心的改進(jìn)措施

(1) 聯(lián)接套的改進(jìn)。聯(lián)接套的設(shè)計(jì)雖然提高了機(jī)械加工工藝性，卻帶來(lái)了裝配聯(lián)接誤差。經(jīng)過(guò)多次討論，決定取消聯(lián)接套、改為在主軸端面鏜孔與電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸聯(lián)接。

(2) 為了選定電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸與主軸孔配合公差數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著配合間隙增大，裝配容易，電機(jī)軸承、主軸軸承溫度下降，小于40 ℃，符合設(shè)計(jì)使用要求；但是，當(dāng)配合間隙超過(guò)0.10 mm后，會(huì)加劇對(duì)聯(lián)接平鍵及其鍵槽的沖擊磨損。因此，優(yōu)化的間隙配合公差范圍以+0.05～+0.08 mm為宜。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3所列。

表3 裝配公差試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

2.2 轉(zhuǎn)盤質(zhì)量偏小

2.2.1轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分析

PCS-5型立式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)盤由6塊組成、總重30kg，用于懸掛錘頭。粉碎機(jī)工作時(shí)，如果煤塊偏大且加料不均勻，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子部造成較大的沖擊載荷。這種現(xiàn)象持續(xù)1 h后，軸承溫度會(huì)升高30℃。解決方法有兩個(gè)：在主軸上加裝一個(gè)飛輪以蓄能，或加大轉(zhuǎn)盤直徑增重以增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。其目的都是：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增高時(shí)，轉(zhuǎn)子部動(dòng)能增加，把能量貯蓄起來(lái)；當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，轉(zhuǎn)子部動(dòng)能減少，把能量釋放出來(lái)，用來(lái)減少機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的速度波動(dòng)。同時(shí)也可起到改變機(jī)器的共振頻率的作用，減少機(jī)器運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)和噪音。

在主軸上加裝一個(gè)飛輪，雖然能夠明顯提高轉(zhuǎn)子部運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，但需要增大電機(jī)功率、更換向心推力軸承型號(hào)，從而較大幅度增加成本。經(jīng)過(guò)分析對(duì)比，最終排除這一方案。另一方案是：加大轉(zhuǎn)盤直徑和增加轉(zhuǎn)盤重量，以增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。具有結(jié)構(gòu)改動(dòng)小、生產(chǎn)成本控制好、效果同樣明顯等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)力學(xué)知識(shí)，一個(gè)剛性物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取決于該物體的質(zhì)量大小及分布狀況、質(zhì)量與旋轉(zhuǎn)軸的距離。由于粉碎機(jī)加料不均勻?qū)D(zhuǎn)動(dòng)部的沖擊載荷是隨機(jī)的，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大減小對(duì)改善粉碎機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的影響，可通過(guò)電機(jī)負(fù)載電流的變化來(lái)觀察[3]。

2.2.2增大轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的改進(jìn)措施

為了確定粉碎機(jī)轉(zhuǎn)盤直徑及厚度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著轉(zhuǎn)盤尺寸增大，滿負(fù)荷加料操作，電機(jī)瞬時(shí)最高負(fù)載電流會(huì)有所下降、主軸軸承溫度也同時(shí)下降，小于50 ℃，符合設(shè)計(jì)使用要求；但是，當(dāng)轉(zhuǎn)盤質(zhì)量超過(guò)70 kg后，電機(jī)瞬時(shí)最高負(fù)載電流下降幅度減小，同時(shí)主軸軸承溫度有所上升。因此，優(yōu)化的轉(zhuǎn)盤質(zhì)量以總重60 kg左右為宜。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4所列。

表4 轉(zhuǎn)盤質(zhì)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

2.3 操作者班后養(yǎng)護(hù)分析

根據(jù)售后維修人員反饋，操作不規(guī)范主要存在如下兩個(gè)方面：一是不能按時(shí)對(duì)軸承進(jìn)行清洗換油或換油時(shí)加注過(guò)多；二是錘頭更換方法不對(duì)。

軸承內(nèi)潤(rùn)滑油過(guò)多、過(guò)少或老化也是引起軸承過(guò)熱而損壞的原因之一。按照使用說(shuō)明書要求：粉碎機(jī)工作200 h后，應(yīng)該對(duì)主軸軸承清洗換油，潤(rùn)滑脂占軸承空間的70%～80%，過(guò)多或過(guò)少都不利于軸承潤(rùn)滑和熱傳遞[4]。及時(shí)全部更換磨損的錘頭，以減小不規(guī)則磨損造成的動(dòng)不平衡沖擊。

3 改進(jìn)效果

為降低PCS-5型立式粉碎機(jī)主軸軸承過(guò)熱失效的故障率，反復(fù)分析產(chǎn)生的原因，一一落實(shí)改進(jìn)措施，于2010年下半年改款粉碎機(jī)投放市場(chǎng)，接受用戶檢驗(yàn)。根據(jù)售后質(zhì)量跟蹤，主軸軸承過(guò)熱失效故障率大幅下降，生產(chǎn)效率由原來(lái)每班35 t提高到42 t，受到配套主廠和用戶好評(píng)。2010年上半年與2010年同

期軸承故障率變化情況對(duì)比如圖2所示。

圖2 PCS-5粉碎機(jī)軸承故障變化對(duì)比圖

4 結(jié) 語(yǔ)

粉碎機(jī)是礦山、建筑、水泥、冶金等行業(yè)廣泛使用的機(jī)械設(shè)備之一，主軸軸承又是粉碎機(jī)上很重要的零件。在生產(chǎn)實(shí)際中，主軸軸承過(guò)熱失效是粉碎機(jī)發(fā)生故障的最主要原因。引起主軸軸承發(fā)熱的因素有很多，結(jié)合PCS-5型立式粉碎機(jī)的使用情況，追蹤產(chǎn)品質(zhì)量信息，采納用戶意見(jiàn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)分析，找出主軸軸承過(guò)熱故障的原因：聯(lián)軸器設(shè)計(jì)不合理、電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配公差偏小、轉(zhuǎn)盤質(zhì)量偏小等。針對(duì)存在問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，使得粉碎機(jī)設(shè)計(jì)、裝配工藝更合理。

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