SAM16-180S 混砂機主軸分體式結構的研究及應用

（東風鍛造有限公司鑄造二廠，湖北十堰 442013）

SAM16-180S 混砂機是丹麥DISA 公司制造的一款轉子式混砂機，自2002 年工廠引入使用至今。在近20 年的使用期間，機械部分暴露出來的問題比較多，其中混砂機主軸在使用及維修過程中存在的問題較多，因此很有必要對該部位進行改進。

1 SAM16-180S 混砂機主軸作用

1.1 混砂機的基本結構及工作原理

SAM16-180S 混砂機是鑄造生產(chǎn)線的關鍵設備，主要保證造型用型砂的混制供應。SAM16-180S混砂機的基本結構簡圖如圖1，其中序號7 部件為混砂機關鍵部件主軸。

SAM16-180S 混砂機工作原理：主料及輔料分別通過主料稱以及輔料稱按照設定的值加入混砂室，在主軸電機的驅動下，底刮板及壁刮板繞主軸軸心旋轉；在轉子電機的驅動下，固定在傳動橋上的轉子攪拌器在繞自身軸心自轉的同時繞主軸軸心進行公轉。型砂在底刮板、壁刮板以及轉子攪拌器的作用下在混砂室混制，在混制型砂的同時，通過供水裝置將水分按設定值加入型砂中，待型砂質量檢測系統(tǒng)確認型砂合格后，通過卸料系統(tǒng)放空混砂室，然后再進入下一個循環(huán)周期。

圖1 SAM16-180S 混砂機的結構圖

1.2 主軸的基本結構及工作機能

主軸作為混砂機傳動橋的支撐體，是SAM16-180S 混砂機一個重要的組成部分，是混砂機系統(tǒng)的關鍵部件，主軸及其關聯(lián)件的結構簡圖如圖2 所示。

圖2 主軸及其關聯(lián)件的結構簡圖

主軸的工作機能：主軸立柱上端通過方法蘭上直徑為340 mm 的凸形定位止口與圖1 中傳動橋上相應的凹形定位止口裝配到一起，下端通過軸承座固定在混砂機底板上，供水裝置固定在下端軸承座上，供水裝置與主軸立柱的接合處采用一套水封進行聯(lián)接（見圖2），其中上半水封隨主軸立柱一起旋轉，下半水封固定在軸承座上靜止不動。通過供水裝置加入的水流經(jīng)水封及水通道，最終通過噴淋裝置加入到型砂內。主軸的旋轉靠主軸電機驅動，其旋轉支撐分別是上下兩個軸承座，其中上端軸承座固定在傳動橋上。

2 SAM16-180S 混砂機主軸存在問題與解決方案

2.1 原有主軸存在的主要問題

總結混砂機的使用與維修經(jīng)驗，原有主軸在使用與維修過程中主要存在以下幾方面的問題：

1）制作方面問題

主軸立柱結構如圖3 所示，從圖3 可以看出其結構比較復雜，制作精度要求較高，制作相對比較困難。

2）拆卸及裝配存在問題

從圖2 可以看出，主軸的裝配比較復雜，而在實際拆卸及裝配過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)舊軸承座無法拆卸、新軸承座無法裝配的問題，最終的結果是將舊立柱切割成多塊后把軸承座取出，新立柱由于在制作時精度難以達到，導致軸承座無法裝配到位。

3）水封漏水的問題

如圖2 所示，水封分為上下兩半，工作時上半水封隨立柱旋轉，下半水封靜止不動，而兩半水封的接觸面均為普通鋼性材質，靠彈簧的彈力將兩半壓緊，對水的密封效果不夠理想，經(jīng)常出現(xiàn)漏水問題。由于漏水導致加水量不準確，對型砂的質量產(chǎn)生一定的影響，另外，漏出的水進入軸承座內的軸承，縮短了軸承的使用壽命。

2.2 解決方案

為了解決上述問題，需要對主軸結構進行優(yōu)化設計，設計的總體原則如下：

1）主軸外形尺寸基本不變，以適應與其他關聯(lián)零部件的聯(lián)接；

2）主軸結構簡化，降低制作難度系數(shù)；

3）便于拆卸和裝配；

4）在使用過程中不出現(xiàn)漏水問題。

通過多次技術討論，比較了多種技術方案的優(yōu)缺點，最終確定了一套主軸的改進方案，通過混砂機主軸結構的優(yōu)化設計和主軸水封密封的改進兩方面具體措施來解決存在的問題，并提高混砂機運行的可靠性。

3 主軸立柱設計制作具體方案

3.1 主軸立柱制作及拆裝困難問題的解決方案

3.1.1 主軸立柱存在問題解析

如圖3 所示，混砂機主軸立柱分內外兩層，其中外層φ240h7 內孔需要裝配軸承座，而內層內孔除了是供水通道外，端面φ96h7 內孔還需要裝配上半水封，由于上半水封需要與主軸立柱同步旋轉，因此軸承座及上半水封的安裝孔在加工時同軸度要求很高，否則上下兩半水封錯位，封水效果不理想，會出現(xiàn)大量漏水的現(xiàn)象。

圖3 改進前的主軸立柱簡圖

另外，φ240h7 的軸承座裝配孔深度達到216mm，在內外兩層的夾縫中加工該部位非常困難，圖3 中所示圓柱度的要求很難保證，加工時多次出現(xiàn)里面小、外面大的錐孔現(xiàn)象，導致軸承座在裝配時非常困難，而且在使用后，由于密封效果差，砂子極易沿裝配縫隙進入，導致軸承座被擠死，無法拆除，最終的結果是主軸立柱被切割成多塊后才能將軸承座拆出來，如圖4 所示。

圖4 改進前主軸立柱拆除的實物結構

3.1.2 主軸立柱的結構優(yōu)化

立柱被切割成多塊后軸承座得以拆出來的拆除方案給主軸立柱的設計提示了一個改進方向，那就是可以考慮將立柱在制作時就分成多個零件，件與件之間采用螺釘連接。為了保證裝配到一起后整個主軸立柱的精度要求，可以在件與件之間設置相應的定位基準面，制作時只要保證這些定位基準面加工精度即可。采用多件拼裝的方案后，無論是在制作難度系數(shù)，還是在拆裝方面都會有明顯的改善。

改進后的主軸立柱分成上下兩半，結構簡圖如圖5 所示，上下兩半之間采用圓法蘭進行聯(lián)接，采用φ250H7/h6 定位止口組合進行裝配定位。

圖5 改進后的主軸立柱的簡圖

下半部分沿軸線分成左右兩半，其結構簡圖如圖6 所示，左右兩半之間采用方法蘭聯(lián)接，采用φ30H7/h7 基準定位銷、銷孔組合進行裝配定位。

通過分解后的分體式主軸立柱共包含3 個部件，全部裝配后的結構示意圖如圖7 所示。

圖6 改進后的主軸立柱下半部位結構

圖7 改進后的主軸立柱的裝配結構

與原有整體式主軸立柱相比，除了多出的聯(lián)接法蘭外，其他部位基本一致。

3.2 主軸水封漏水問題的解決方案

3.2.1 主軸水封漏水問題解析

混砂機的加水工序是在主軸旋轉狀態(tài)下進行的，而加水通道由兩部分組成，其中一半位于主軸立柱內，與立柱形成一體，另一半位于主軸立柱外，前者在加水時需要旋轉，后者則靜止不動，因此需要解決加水時前后兩者動靜結合處的密封問題。原有主軸立柱采用的是水封及水封座組合的方式，其中上半水封固定在主軸立柱內層的水管上，而下半水封固定在水封座上，如圖8 所示，上下水封均采用黃銅制作，加水時水流經(jīng)水封，但是由于水封接觸面之間沒有有效的密封件，在上下兩半水封相對運動時，水從接合面流出，就是前文提到的漏水問題。要解決此問題，必須要考慮在動靜結合處采用有效的密封結構。

圖8 改進前主軸水封密封結構簡圖

3.2.2 主軸水封漏水問題改進措施

通過咨詢了解到，目前有一種旋轉式接頭，適用的介質包含水、油、水蒸汽等，可以有效解決動靜接合處的密封問題，其結構示意圖如圖9 所示。

圖9 旋轉式接頭結構

該旋轉式接頭特點：

1）工作壓力及溫度：0～50 bar，最高175 ℃（水）；0～8 bar，最高170 ℃（水蒸汽）；0～6.5 bar，最高200 ℃（熱油）.

2）最高允許轉速：3 500 r/min；3 000 r/min；2 500 r/min；750 r/min 4 四種。

3）密封：D 型密封（重型），接合面碳化鎢對碳化鎢，適用于只經(jīng)過粗過濾的水以及其他較惡劣的工況。

S AM16-180S 混砂機主軸的旋轉速度為24.6 r/min，供水壓力為3 bar，水溫0 ℃～50 ℃且經(jīng)過粗過濾，對比上述特點可以確定，該旋轉式接頭完全適用于主軸的加水裝置。而由于該接頭體形較大，無法置于軸承座內，因此需要配備一過渡水管用于主軸立柱與旋轉接頭的聯(lián)接，過渡水管的兩端及其關聯(lián)部位均配有定位止口組合，尺寸分別為φ70H7/h6 和φ65H7/h6，如圖10 所示，圖中凸形止口與主軸立柱聯(lián)接，凹形止口與旋轉接頭聯(lián)接。

圖10 過渡水管的結構簡圖

改進后的主軸立柱、過渡水管以及旋轉接頭在裝配時各接合面均配有標準密封件，裝配圖如圖11所示。

圖11 改進后主軸水封密封結構簡圖

4 改進后的使用效果

改進后的整套主軸的裝配圖如圖12 所示。

圖12 改進后的整套主軸的裝配圖

改進后的主軸在未改變外形尺寸及與其他零件連接尺寸的前提下，將主軸的整體結構進行了優(yōu)化設計，由原來的整體式改為分體式，并引用旋轉式接頭新技術，有效地解決了制作、拆卸及裝配困難的問題，另外，加水時的漏水問題也得到了解決，自投入使用后，使用效果非常理想，主軸轉動靈活，供水裝置沒有出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，整套主軸的拆裝只需2 h～3 h，而改進前需要8 h～24 h.圖13 為現(xiàn)場安裝圖，其中左圖為位于混砂室內的主軸立柱，右圖為位于混砂室外的供水裝置，包含旋轉接頭。

5 結論

DISA 公司研發(fā)的混砂設備在鑄造領域代表著領先水平，但是在某些細節(jié)方面也具備一定的優(yōu)化空間。此次對主軸的改進就是一種大膽的嘗試，而通過改進嘗試，優(yōu)化了SAM16-180S 混砂機主軸結構，方便了維護及備件制作，解決了主軸水封的密封問題，提高了設備運行的可靠性。

圖13 SAM16-180S 混砂機安裝主軸實物圖