風機葉輪主軸斷軸故障原因分析及處理

吳西華

（東營東康人造板有限公司，山東東營 257091）

0 引言

為改善木質(zhì)纖維形態(tài)，有效去除纖維中的粗大纖維、脫落物、膠斑、膠皮、金屬及線頭等雜質(zhì)，提高纖維板的質(zhì)量，提升產(chǎn)品的優(yōu)等率，2019 年對纖維板生產(chǎn)線進行了升級改造，拆除原65 m3的401 干纖維料倉，在其位置上增設(shè)8.1 m 高的風選機，保留原261 皮帶稱和402 轉(zhuǎn)閥，并加大鋪裝機上部的纖維儲料倉容積為40 m3，纖維風選機經(jīng)調(diào)試運行良好。此纖維風選系統(tǒng)裝配了一臺功率為132 kW 的風機，該風機將風選機風選出的合格木質(zhì)纖維通過輸送管道送至鋪裝機上部的纖維儲料倉，風機型號為MQS5-54 NO13C-M，右旋，風量Q=67 000 m3/h，全壓p=4890 Pa，轉(zhuǎn)速n=1250 r/min，由國內(nèi)某家環(huán)保設(shè)備有限公司提供。2020 年風選風機在運行過程中振動大，車間維修人員在通過玻璃窗戶發(fā)現(xiàn)室外風機軸承箱處有火星，隨即通知車間停機，檢查發(fā)現(xiàn)該風機葉輪主軸在軸承箱輸入端斷開。

該風選風機葉輪主軸長1418 mm，最大直徑Φ108.5 mm，斷裂處直徑Φ100 mm。該風機主軸一般故障率低，故倉庫沒有安全庫存?zhèn)浼?。?jīng)聯(lián)系設(shè)備生產(chǎn)廠家，新軸加工周期最快14 d?，F(xiàn)恰逢生產(chǎn)任務(wù)緊，客戶訂單催得急，為有效縮短維修時間，并最大程度減少生產(chǎn)損失，經(jīng)現(xiàn)場風機葉輪主軸斷裂故障原因分析，在不具備存有加工新軸用1418 mm 長的熱處理棒料前提下，經(jīng)研討確定采用嵌入銷軸，坡口對焊的維修方案進行恢復性修復。該維修方案簡單可靠，連接牢固，完全滿足風選風機葉輪主軸的使用性能要求。

1 故障原因分析

1.1 故障現(xiàn)象

MQS5-54 NO13C-M 風選風機在運行過程中出現(xiàn)振動大，這種現(xiàn)象在平時設(shè)備巡檢時就發(fā)現(xiàn)，檢查時風機電機接線盒電纜接觸不良而停機，沒有全面考慮電機接線盒電纜接觸不良是由于風機振動引起的，因而沒有發(fā)現(xiàn)風機振動的真正原因。車間維修人員午休時通過窗戶發(fā)現(xiàn)風選風機軸承箱處產(chǎn)生火星，通知車間緊急停機。此前生產(chǎn)車間操作人員在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)風選機落料，而鋪裝線上部的纖維儲料倉不落料。根據(jù)平時的工作經(jīng)驗，認為是纖維儲料倉上面的撥料器堵塞引起不落料，準備去現(xiàn)場檢查情況。斷開風選系統(tǒng)設(shè)備電源，現(xiàn)場系統(tǒng)核查，首先檢查電機，拆卸接線盒，經(jīng)搖表測量電機完好，然后手盤電機，通過三角帶帶動風選風機主軸軸承箱輸入端部分轉(zhuǎn)動，主軸軸承箱輸出端部分不轉(zhuǎn)。放空軸承箱內(nèi)的潤滑油，拆卸風選風機主軸軸承箱上壓蓋，主軸輸入端部分及裝配在上面的軸承和皮帶輪傾斜，檢查發(fā)現(xiàn)風機葉輪主軸在輸入端的Φ100 mm～Φ108.5 mm 臺階處斷開（圖1）。

圖1 葉輪主軸斷裂部位

1.2 故障原因分析

放空軸承箱內(nèi)的潤滑油，拆卸風選風機主軸軸承箱上壓蓋，將斷裂的裝配有軸承和皮帶輪的主軸輸入端部分移出軸承箱座。拆卸風選風機入口管道短接，然后再拆除風機集風口、外殼，檢查風機葉輪上無木質(zhì)纖維結(jié)垢和扭曲變形，葉輪完好無損。拆除風機外殼座主軸孔防塵蓋，將風機葉輪及裝配有軸承的主軸輸出端部分從外殼座內(nèi)取出來。然后再拆卸風機主軸軸承箱底座。

檢查主軸輸入端部分Φ100 mm～Φ108.5 mm 臺階處斷裂部位，該處設(shè)計裝配軸承22320CA，按裝配要求軸徑尺寸精度應(yīng)為Φ100-H7/m6，軸承與軸的配合為過渡配合，用游標卡尺測量該處裝配軸承的軸徑尺寸為Φ98 mm，軸承內(nèi)徑與軸之間存在2 mm 間隙。由于風機葉輪轉(zhuǎn)速高達1250 r/min，且存在振動，經(jīng)長時間運行，主軸輸入端的軸承內(nèi)徑與主軸間磨損逐漸加重，風機葉輪振動加劇（期間曾因風機葉輪振動大，電機過載停機1次，電機接線盒電纜接觸不良停機1 次），風機葉輪主軸在Φ100 mm～Φ108.5 mm 臺階處產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，久而久之導致主軸彎曲變形而斷開，斷開傾斜的主軸輸入端部分在高速旋轉(zhuǎn)皮帶輪的作用下，與軸承箱底座密封壓蓋及斷開的主軸輸出端部分相互摩擦產(chǎn)生火星。

2 修復處理

針對風選機風機主軸斷裂故障，在沒有庫存?zhèn)浼臈l件下，為縮短停機時間、減少停機損失，本著節(jié)約成本的原則，經(jīng)現(xiàn)場研究分析，并結(jié)合以往斷軸維修的經(jīng)驗，確定采取嵌入銷軸、坡口對焊的工藝焊接加工修復。

2.1 斷軸部分預處理

經(jīng)檢測核實，風選機風機主軸斷裂部分直徑為Φ100 mm，材料為調(diào)質(zhì)熱處理的45#鋼。由于斷軸部位位于Φ100 mm～Φ108.5 mm 臺階處，屬應(yīng)力集中部位，不宜直接進行焊接（圖2），需要對風選機風機主軸斷裂部分進行預處理，首先在鋸床上，將主軸的兩根斷軸分別距其端面鋸掉5 mm，去除應(yīng)力集中部位，然后上車床修正兩根斷軸端面至平整，其次在其端面中心分別鉆Φ50-H7、深度為100 mm 的孔（孔徑大小為主軸軸徑的1/2，深度為主軸軸徑的長度），且確保孔與軸同軸，接下來分別在2 根斷軸的端面加工出45°的倒角，作為焊接坡口（圖3）。

圖2 去除軸斷面應(yīng)力集中部位

圖3 軸斷面預加工

利用庫存現(xiàn)有的45#鋼調(diào)質(zhì)熱處理棒料，上車床加工一根用于對中的Φ50-n6，210 mm長的圓柱銷軸。然后在銷軸外徑上加工出長210 mm，半徑為3 mm的半圓槽，目的是利于在斷軸與銷軸過盈裝配時充分排出斷軸內(nèi)孔里的空氣，消除應(yīng)力。斷軸內(nèi)孔與銷軸裝配形式采用H7/n6的過盈配合，過盈配合同軸性好，能使主軸承受較大的軸向力、扭矩及動載荷。

2.2 焊接方法（圖4）

圖4 焊前裝配

采用動力壓入法，用焊有兩個吊耳的直徑Φ100 mm，長度1000 mm 的圓鋼棒料作為沖擊錘，首先固定牢固風機主軸輸入端斷軸，在沖擊錘的反復沖擊作用下，將對中用的Φ50 mm 圓柱銷軸過盈配合壓入斷軸中心孔內(nèi)，然后再固定牢風機主軸輸出端斷軸，將輸入端斷軸裝有的圓柱銷軸，壓入風機主軸輸出端斷軸中心孔內(nèi)，連接好兩根斷軸，并確保兩斷軸端面間距為10 mm，以滿足原主軸的長度1418 mm，這種動力壓入方式實用，操作方便。

兩根斷軸裝配連接好后，采用手工電弧焊來焊接，操作方便。焊條采用堿性焊條J507，抗裂性能好，焊前將焊條置于350 ℃烘干箱中烘干1 h，并用石棉被將焊口兩側(cè)非焊接部位蓋好，以防焊渣飛濺損傷軸面，在斷軸倒角坡面和銷軸夾角處，用Φ2.5 mm焊條將兩部分斷軸與圓柱銷軸四周均布點焊，定位牢固，然后將裝配好的主軸放在V 形鐵架上，采用直流反接，用Φ2.5 mm 焊條來打底焊接，選用較小電流90～100 A，以降低焊縫的熔合比，有效消除焊接變形量。

采用橫向?qū)ΨQ焊法，首先在兩斷軸倒角坡面和銷軸交匯處用Φ2.5 mm 焊條堆焊一段連接焊道，然后沿圓周旋轉(zhuǎn)主軸180°繼續(xù)焊接，直至焊完整圈焊道；其次如上法所示，沿兩斷軸倒角坡面，在連接焊道上堆焊一道加強焊道，然后依次在倒角坡面兩側(cè)連接焊道之間堆焊底層焊道，如上法所示，形成底部堆焊層。

接下來焊接填充，焊接填充時，采用多層焊，焊層厚度確保4 mm 以下，焊條采用Φ3.2 mm 電流控制在120～130 A。在底部堆焊層上繼續(xù)焊接堆焊焊層，形成填充堆焊層，并及時小錘錘擊焊道，然后繼續(xù)在底部堆焊層上焊接第二層焊道，如上依次焊接，直至填充滿整個倒角坡口，且保證上部焊層高于兩側(cè)斷軸面3 mm，以作為后序機械加工余量，最后焊補斷軸Φ100 mm 磨損部分（圖5），注意每層堆焊完成后要及時用小錘錘擊焊道，以減少應(yīng)力變形。

圖5 焊接圖

2.3 機械加工

風選風機主軸全部焊接完成后，放置在室溫環(huán)境下，自然冷卻2 h，以防產(chǎn)生裂紋，影響焊接質(zhì)量。肉眼外觀檢查風機主軸的各焊縫是否存在裂紋、氣孔、砂眼等缺陷，發(fā)現(xiàn)后并及時補焊修正，以消除隱患。用手持角磨機將焊層上的焊瘤、焊渣去除修平，然后上車床，找正定位好主軸中心，首先粗加工風機主軸，至軸徑所需的尺寸Φ100 mm 和Φ108.5 mm，并確保主軸總長度符合原主軸長度1418 mm，同時初步校正各軸徑的同軸度。主軸各尺寸精度能保證后，再精加工以恢復主軸軸承裝配精度Φ100-H7、徑面粗糙度1.6、3.2，精準校正各軸徑的同軸度0.08 mm，確保風機主軸能滿足使用性能要求（圖6）。

圖6 風機葉輪主軸斷裂修復

3 結(jié)論

常用金屬斷軸修復的方法有直接對焊法、螺紋擰入焊接法。直接對焊法較適合小徑基短軸斷軸的修復，螺紋擰入焊接法加工復雜，周期長。本文介紹的嵌入銷軸，坡口對焊的修復方法，用料簡易，操作方便，實施簡單，既適合于輕載荷，小徑基短軸斷軸的維修，又適合于大扭矩、重載荷，大徑基長軸的斷軸修復，是一種切實可行的斷軸修復方法。在以往設(shè)備故障維修過程中采用嵌入銷軸的方法已處理過3 起斷軸事件，安裝使用后未出現(xiàn)異常，使用時間均已超過2 年，徹底消除了職工心目中斷軸修復后無法正常運行，或存在設(shè)備隱患的疑惑。

僅以幾百元的費用，在無庫存?zhèn)浼靶螺S加工周期長無法及時交貨的前提下，用時6 h 就能完成維修，恢復生產(chǎn)，且能保證較高的強度和同軸度，滿足風機葉輪主軸的使用性能要求。風機主軸斷軸維修安裝使用至今已有2 年時間，未發(fā)現(xiàn)異常，不僅降低了維修成本，同時也縮短了停機時間、減少生產(chǎn)損失，保證生產(chǎn)設(shè)備的正常運行。