搖床軸瓦蓋斷裂的原因分析及解決措施

任 重

（長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430212）

搖床是一種重選設(shè)備，是利用機(jī)械搖動(dòng)和水流沖洗的作用使礦粒按密度分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鐵礦等礦物的精礦、中礦和尾礦的分離選別，在礦山選礦中應(yīng)用十分廣泛。本文將針對(duì)我國(guó)某選礦設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)研制的6－S型搖床在投入使用后不到一年時(shí)間，其傳動(dòng)裝置中的軸瓦蓋接連發(fā)生斷裂的原因進(jìn)行分析，提出相應(yīng)解決措施，并通過實(shí)踐證明這些舉措從根本上解決了設(shè)備故障問題。這為今后該類型搖床的進(jìn)一步改進(jìn)升級(jí)，提高設(shè)備的可靠性提供了借鑒和參考。

1 問題的提出

6－S型搖床床頭采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)床身往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械搖動(dòng)，其傳動(dòng)裝置如圖1所示。它主要由電機(jī)、一對(duì)皮帶輪、曲軸、搖臂、一對(duì)肘板、連桿、彈簧等幾個(gè)部件組成。其運(yùn)動(dòng)原理是：電機(jī)帶動(dòng)一對(duì)皮帶輪減速后動(dòng)力傳遞到偏心軸上，偏心軸在軸瓦蓋內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)搖臂上下運(yùn)動(dòng)，使得兩塊肘板實(shí)現(xiàn)開合運(yùn)動(dòng)。肘板的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)拉桿，實(shí)現(xiàn)其往返水平運(yùn)動(dòng)，從而轉(zhuǎn)化為床面的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 搖床傳動(dòng)裝置

6－S型搖床在投入使用后不到一年時(shí)間里，大多數(shù)設(shè)備的軸瓦蓋耳根處發(fā)生斷裂，影響設(shè)備的正常使用，如圖2所示。下面我們將從材料力學(xué)角度對(duì)軸瓦蓋發(fā)生斷裂的原因進(jìn)行分析，并對(duì)癥下藥提出解決措施，降低設(shè)備故障的幾率。

圖2 搖臂下方的軸瓦蓋

2 分析原因

從用戶現(xiàn)場(chǎng)提取斷裂樣本后發(fā)現(xiàn)斷裂發(fā)生在軸瓦蓋壁厚最薄處，且斷裂橫截面與軸瓦蓋受力方向垂直，比較符合材料拉斷的特征；另外，斷面組織比較稀松、毛糙，如圖3所示。下面我們將對(duì)搖臂的受力情況進(jìn)行分析，并對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核，最終分析總結(jié)出軸瓦蓋斷裂的根本原因。為方便進(jìn)行受力分析，將搖床傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)化為圖4所示的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。

圖3 軸瓦蓋斷裂處樣本

2.1 搖臂受力分析

如圖3所示對(duì)搖臂進(jìn)行受力分析。

（1）當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)到最下端時(shí)，左、右肘板所受壓力為：F1＝F2＝3400cos10.73°＝3340.55 N，搖臂受拉力F3＝F4＝2F1sin10.73°＝1244 N，相應(yīng)作用在軸瓦蓋耳根處（易斷裂處）的拉力為：FL＝622N。

（2）當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)到最上端時(shí)，左、右肘板并不受力，此時(shí)搖臂受壓力為：F3＝F4＝G＝120N，相應(yīng)作用在軸瓦蓋耳根處（易斷裂處）的壓力為：FY＝60N。

圖4 搖床傳動(dòng)裝置的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及受力分析圖

2.2 強(qiáng)度校核

軸瓦蓋材料為 HT100，抗拉強(qiáng)度為σb＝100 MPa；軸瓦蓋斷裂處截面積：

A＝70×12＝840mm2；則當(dāng)軸瓦蓋耳根處的拉應(yīng)力為：σL＝＝＝0.74 MPa，壓應(yīng)力為：σY＝＝＝0.074 MPa，由此可見軸瓦蓋耳根處的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均不大于材料的抗拉強(qiáng)度σb＝100 MPa，故選用軸瓦蓋材料為HT100的強(qiáng)度是合格的。

2.3 疲勞強(qiáng)度校核

由搖床傳動(dòng)裝置的工作原理可知：曲軸向上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，搖臂受壓應(yīng)力為σY＝0.074MPa；

反之，曲軸向下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，搖臂受拉應(yīng)力為σL＝0.74MPa。由此可見，搖臂所受的載荷為非對(duì)稱性循環(huán)載荷，此種載荷最容易使構(gòu)建發(fā)生疲勞破壞。因此，要對(duì)搖臂下端常發(fā)生斷裂的軸瓦蓋耳根處進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。

已知條件：最大應(yīng)力σmax＝0.74MPa，最小應(yīng)力 σmin＝ －0.074MPa，平均應(yīng)力σm＝＝0.666MPa，應(yīng)力幅σa＝＝0.407MPa，循環(huán)非對(duì)稱性敏感系數(shù)ψσ＝0.2，疲勞缺口系數(shù)（搖臂存在橫孔）Kσ＝1.7，表面質(zhì)量系數(shù)（鑄造）β＝0.75，尺寸系數(shù)εσ＝1.0，彎曲載荷下材料的對(duì)稱性疲勞強(qiáng)度極限σ－1＝0.1σb＝10MPa，疲勞安全系數(shù)nf＝2

疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)：

顯然：軸瓦蓋耳根處的疲勞強(qiáng)度也是合格的。

2.4 分析總結(jié)

通過對(duì)搖臂進(jìn)行受力分析并進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核后，可以得出結(jié)論：采用抗拉強(qiáng)度100MPA的HT100鑄鐵是不會(huì)產(chǎn)生破壞的。因此，應(yīng)根據(jù)軸瓦蓋斷裂標(biāo)本，從鑄鐵材料的成型工藝特點(diǎn)、力學(xué)特性、搖臂工作情況及軸瓦蓋外形等方面進(jìn)行分析促使軸瓦蓋耳根處斷裂的根本原因。

（1）從鑄鐵材料的成型工藝特點(diǎn)來(lái)講，如果鑄鐵內(nèi)部存在缺陷會(huì)使鑄鐵的抗拉強(qiáng)度大大下降，從而縮短軸瓦蓋的壽命。從斷裂處的橫截面基體組織情況看，灰鑄鐵內(nèi)部存在組織不均勻等缺陷，故鑄件澆注工藝不到位是導(dǎo)致構(gòu)建經(jīng)常斷裂的首要原因。

（2）鑄鐵屬于抗壓不抗拉的材料，而通過對(duì)搖臂進(jìn)行受力分析可知其所受的拉力是壓力的10倍，且搖臂受到的是非對(duì)稱循環(huán)的交變載荷，因此軸瓦蓋材料選擇鑄鐵是不合適的。這一點(diǎn)可以從斷裂處橫截面與軸瓦蓋受力方向垂直這一特征上得到證實(shí)，材料并不是被壓斷的，而是在交變載荷作用下被拉斷的。

（3）軸瓦蓋內(nèi)部軸瓦是耐磨的巴氏合金，并在油液中進(jìn)行工作，但若機(jī)油標(biāo)號(hào)選擇不合適，則會(huì)因軸瓦產(chǎn)生的磨損使搖臂孔與曲軸間產(chǎn)生間隙，由此產(chǎn)生的附加力使軸瓦蓋薄弱處產(chǎn)生斷裂。

（4）由圖2可知，軸瓦蓋耳根處截面驟然變小，且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，更加重了在此處斷裂的幾率。

3 解決措施

（1）更換材料。經(jīng)過退火等熱處理的鑄鋼組織均勻細(xì)密，抗拉性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鑄鐵材料。以型號(hào)ZG200－400的鑄鋼（一般工程用鑄鋼）為例進(jìn)行疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算，其工作安全系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)安全系數(shù)，其壽命可為HT100鑄鐵材料的8倍。

（2）改善潤(rùn)滑條件?？刹捎帽劝褪虾辖鸶鼮槟湍サ牟牧希珒r(jià)格就會(huì)升高，因此并不可取?？赏ㄟ^改善軸瓦與曲軸的潤(rùn)滑條件，如定期更滑機(jī)油、選擇標(biāo)號(hào)更高的機(jī)油及采用更好油封。

（3）改善軸瓦蓋外形。可通過在經(jīng)常斷裂處加過度圓弧以減小應(yīng)力集中，也可增加厚度以提高強(qiáng)度。

（4）定期調(diào)節(jié)軸瓦與曲軸間隙。通過定期調(diào)節(jié)軸瓦與曲軸間隙可及時(shí)減少軸瓦與曲軸間產(chǎn)生的附加力。

4 結(jié) 語(yǔ)

軸瓦蓋是搖床的重要部件，經(jīng)常斷裂將會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本文從查找軸瓦蓋斷裂的原因入手，通過受力分析、強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度校核，總結(jié)出了軸瓦蓋斷裂真正原因所在，并提出相應(yīng)的解決措施。實(shí)踐證明，采取更換材料、外形優(yōu)化和定期調(diào)整間隙等措施后，軸瓦蓋發(fā)生斷裂的次數(shù)大大減少，保證了搖床設(shè)備的正常使用，這對(duì)該型搖床在選礦行業(yè)能夠發(fā)揮更大的作用有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的工程實(shí)際意義。

1 舒宏禮，吳世友.軸瓦的特殊損傷及預(yù)防［J］.南方農(nóng)機(jī)，2004（06）