PXQI200液压旋回破碎机主轴断裂原因分析.pdf

PXQ1200/ 150A液压旋回破碎机主轴断裂原因分析 李克鑫,李洪刚,王中民 山东铝业股份有限公司 装备能源部,山东 淄博255051 [摘 要]从实际观察与理论分析两个方面入手,对PXQ1200/ 150A轻型液压旋回破碎机最重要的部件 主轴的断裂进行分析。通过断面观察与取样化验,分析主轴的材质及热处理状况,指出不良化学成 分和不合理的热处理工艺是断轴的主要原因;结合破碎机的工作状态,计算了主轴各断面的受力情况, 得出理论危险断面与实际断裂面相吻合的结论,从理论上证明了断轴原因分析的正确性。 [关键词]破碎机;主轴;原因;分析 [中图分类号] TG23113 [文献标识码] A [文章编号] 1003 - 8884200502 - 0021 - 04 [收稿日期] 2004 - 10 - 24 [作者简介]李克鑫1964 - ,男,山东淄博人,高级工程师, 研究生学历,从事设备技术研究开发工作。 山东铝业股份有限公司公司矿业公司于1994 年安装了一台PXQ1200/ 150A轻型液压旋回破碎 机为沈阳重型机器厂设计制造 , 用来破碎石灰石。 1 事故概况 1999年3月液压旋回破碎机大修后,新更换的 主轴投运仅31 5 h 破碎石料980 t ,锥体下部主轴 的过渡段部位便发生断裂见图 1 。现场对断轴进 行探伤及硬度检测,并于断裂部位取样,进行化学成 a轴的短半部分,尚镶套在偏心套里 b轴的 长半部分及侧面 c轴的长半部分及正面 图1 主轴断裂图 分及金相分析。 2 事故原因分析 211 材料的化学成分分析 断裂 处 轴 径 约 为 Φ600 mm ,轴 的 材 料 为 37SiMn2MoV。在主轴断口侧的外圆表面测得硬度 为HB 254 合格,原图纸标明为调质硬度HB 241～ 286 。主轴的化学成分及试验成分见表1。 由表1可以看出,主轴的制造成分与国际规定 的成分相距甚远,特别是含C量相差近一倍。 众所周知,调质钢的含C量介于0127 ～ 015 之间。含C量过低不易淬硬,回火后不能达 到所需要的强度;含C量过高,则韧性不够。 从主轴断裂面的形状看见图2 ,主轴的韧性 不够,脆性过大,这与主轴的含C量过高有关。 在主轴断口处取样后所做的金相分析表明 ① 试样表层 〈主轴近外圆处〉 组织呈回火索氏体 少量细珠光体;距表层45 mm处组织呈细珠光体 表1 主轴化学成分标准含量 GB3077 - 88及化验结果对照表单位 牌号 37SiMn2MoV 化学成分 CSiMnMoV其他 标准含量0133～01390160～0190116～1190140～01500105～0112 化验含量0158013901710104701047含Cr量1106 小块铁素体约20 。 ② 试样仍有较明显的树枝状偏析。 由此可以确定,主轴进行过调质处理,但调质深 12 分析研究 有色设备 20052 图2 短半轴断口状态 度较浅或淬透层较浅。虽 主轴的材质中加入了适量 的Cr ,但淬透性仍较差。 由图3可以看出淬 透性较差的钢坯,其心部 的机械性能尤其是韧性较 淬透性好的钢坯相差甚 远。根据试样仍有较明显的树枝状偏析来看,锻件 仍残留有铸锭的不良组织,说明锻造比太小,树枝状 偏析对主轴的韧性亦有不良影响。 a淬透的钢高温回火后其性能沿截面分布情况 b未淬透的钢高温回火后其性能沿截面分布情况 图3 淬透性不同的钢调质后的机械性能 亚共析钢无论淬火温度还是始锻温度均与其含 C量的多少有关。本次断裂的主轴,其毛坯不论是 锻造工艺还是调质 工 艺,都 是 根 据 其 材 质 即 37SiMn2MoV制定的,但实际的化学成分尤其是含 C量与标准值相差甚远,这是造成主轴不良锻件及 不良金相组织的原因之一。 图4 主轴断面有一条 长30 mm裂纹 图4为短半轴的断 面,其心部有一条长30 mm的裂纹。 分析主轴本身的质量 问题,断轴的主要原因应 为化学成分不好,金相组 织不良及轴本身存在缺 陷。经对破碎机的工作受 力状态分析,主轴断裂的截面恰为其最危险的断面。 212 力学分析 1200型液压旋回破碎机主轴在工作时,分别承 受三种因不同工况产生的破碎力Pmax、P和P′ max, 且P′ max≈Pmax,其力学模型如图5所示 [1]。根据液 压缸的压力,计算可得 P 1103186 kN Pmax 22051588 kN 式中 P 作用于锥体表面中部的破碎力,kN; Pmax 作用于锥体表面下部的破碎力,kN; P′ max 作用于锥体表面上部的破碎力,kN。 图5 主轴力学模型 P、Pmax和P′ max分别 以分布小区域内的面力作 用于破碎锥体局部表面 上,而锥体与主轴压配合 成一体,因此,可把主轴与 锥体看成是以主轴为对称 轴的轴对称结构受有非对 称载荷之问题。 如设锥体表面下、 中、 上部的分布载荷沿周向按 正弦曲线q1sin θ、 q2sin θ、 q3sinθ变化,它们的水平分量分别为q1hsinθ、 q2hsin θ、 q3hsinθ,沿锥体母线长度分别为L1 100 mm, L2L3 20 mm,周向分布角为2β1 20 、 2β2 40 、2β3 30,平均作用半径为R1 642 mm、 R2 510 mm、R3 390 mm见图6 , 则锥体下、 中、 上部的Pmax、P、P′ max的水平分量分别为 图6 主轴锥体分布载荷 Pmaxh∫ π 2 β1 π 2 -β1 q1hsin2θR1L1cosα1dθ Ph∫ π 2 β2 π 2 -β2 q2hsin2θR2L2cosα2dθ P′ maxh∫ π 2 β3 π 2 -β3 q3hsin2θR3L3cosα3dθ 上述三式经积分并代入具体数据,可求得q1h 9717 MPa、q2h 2612 MPa、q3h 5613 MPa。将 q1hsin θ、 q2hsin θ和 q3hsinθ沿锥体周向展成傅里 叶级数,得 22 分析研究 有色设备 20052 q1hsinθ q1h π sinβ1β1 sinβ1 2 sinθ ∑ n 2,4,6⋯ cos n 1 π 2 β1- cos n - 1 π 2 -β1 2 n - 1 - cos n 1 π 2 β1- cos n - 1 π 2 -β1 2 n 1 cosnθ ∑ n 3,5⋯ sin n 1- 1 π 2 β1- sin n 1- 1 π 2 -β1 2 n 1- 1 - sin n 11 π 2 β1- sinn1- 1 π 2 -β1 2 n 11 sinn1θ q2hsin θ、 q3hsinθ的傅里叶级数展开式与上式 相似,只是将q1h 、 β 1换成q2h 、 β 2或q3h 、 β 3。通常, 取n 10～12, n1 9～11,傅里叶级数已收敛到工 程所需要的计算精度。 现仅就锥体下部受Pmax一种工况最危险工 况 , 将其傅里叶级数a0、a2、a4、a6、a8、a10、b1、b3、 b5、b7、b9,作为锥体沿周向的水平均布载荷,按轴对 称结构有限元分析公式移置到受载范围L1内的 82、92、102结点上见图7和表2。 图7 主轴有限元划分图 表2 锥体下部受载的等效结点载荷 傅氏 系数 r向结点载荷,Nz向结点载荷,Nθ向结点载荷,N 829610282961028296102 a031692277521346929295743629295000 a2- 67948- 543586- 67948- 18208- 145655- 18208000 a463928510903639281711113689617111000 a6- 57394- 459140- 57394- 15392- 123155- 15392000 a849035392282490351313610511413136000 a10- 39912- 319286- 39912- 10751- 85533- 10751000 b169249553971692491855514843518556000 b3- 66296- 530368- 66295- 17766- 142108- 17766000 b564210489754612101640213122816402000 b7- 53445- 427598- 53445- 14323- 114571- 14323000 b94428235426944282118659492611865000 图7主轴与锥体的有限元共划分为120个结 点、160个三角形截面环圆,主轴与锥体材料的弹性 模量为E 210105MPa,泊松比γ 013。仅计算 该工况下0 、90 、180 、270 四个子午面上的三向位 移和应力。 根据参考文献[2]给出的计算程序和程序使用 说明,需要输入表3中的数据。 根据程序的计算结果,可画出主轴表面的三向 变形图见图8 , 以及主轴90 子午面上轴表面的正 应力和主应力变化曲线见图9、10。 根据需要,还可以画出主轴其它子午面上的变 表3 输入数据轴对称结构非对称载荷问题 输入顺序 输入的物理量 1结点总数,单元总数,约束结点总数,环向需要计算 的子午面数,载荷工况数,弹性模量,波松比 2各结点的r坐标和z坐标 3各单元结点编号信息 4结点约束信息 5轴对称结构的载荷展成傅氏级数的控制信息 6按载荷的傅氏系数顺序,输入承受结点载荷的结点 数,结点号, r、z、 θ向载荷值每输入一次,求解一次 结点位移,最后叠加到一起得到总的结点位移 32 分析研究 有色设备 20052 图8 主轴表面的三向变形图 图9 主轴90 子午面上三向正应力变化图 图10 主轴90 子午面上主应力变化图 形和应力曲线,以及轴径上第89结点处横截面沿周 向的径向、 轴向、 环向变形曲线和第125单元的径 向、 轴向、 环向应力沿轴径周向的变化曲线。 由计算结果知,1200轻型液压旋回破碎机主轴 有两个危险断面,上部受载时,第32单元见图2 是危险断面;下部受载时,第125单元是危险断面。 表4列出这两个危险断面处的各项应力值。 表4 主轴两个危险断面处的应力单位MPa 受载工况单元号及子午面 受力 σsσbσ0σ1σ2σ3 上部受载 32单元90 子午面- 1417- 7216- 2017- 1412- 7311- 2017 32单元270 子午面1573192113741414152113 下部受载 125单元90 子午面- 4219- 7113- 2612- 2318- 9015- 2612 125单元270 子午面231666162218751915122218 3 结论 我公司破碎机主轴正是从第125单元处断裂的 对照图1及图7。由此推断,主轴的受载情况为 锥体的下部受力而非上部,即可排除进料尺寸过大 而导致主轴断轴的说法。据了解,与我公司比邻的 柳泉石矿,其破碎机型号亦为PXQ1200/ 150A主 轴曾于1994年断轴,断裂部位在第32单元见图 7 。经过现场观察和理论计算,证实了破碎机主轴 缺陷的存在。 [参考文献] [1]徐灏.机械设计手册[M].北京机械工业出版社,1991. [2] Mamerto L Chu ,等. ASM Handbook of Engineering Mathematics [M]. Ohio American Society for Metals Park , 1983.⊥ 上接第18页 图2 电流曲线与功率曲线 电导电流/电压三种控制方式,控制效果良好,可 用于各种电弧冶炼炉。 [参考文献] [1]冯江,等.模糊自寻优控制器在退火炉燃烧过程控制中的应用 [J ].有色设备,2004 ,5 1 - 3. [2]刘曙光,等.模糊控制技术[M].北京中国纺织出版社,2001. [3]彭小奇,等.多变量模糊控制模型辨识方法及其在矿热电炉决 策支持系统中的应用[J ].控制理论与应用,1994 ,115 582 - 587. [4]李宝绶,等.用模糊集理论设计一类控制器[J ].自动化学报, 1980 ,61 25 - 32. [5]张毅,等.工控机在电弧炉控制系统中的应用[J ].电源技术应 用,2001 ,1 8 - 14.⊥ 42 分析研究 有色设备 20052 NON2FERROUS METALLURGICAL EQUIPMENT No. 2 2005 ABSTRACT Electrobath ; Carbon anode; Multi2func2 tion bridge crane for aluminium electrolysis;Vacuum bag;Ma2 terial mixing;Shaping;Anode assembly G eneral Situation of Noranda Reactor and Its Operation in Daye 8⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ HU Guang2s heng SME LTE R, DAY E NONFE RROUSMET A LCORPORATION,H UANG SHI 435005 , CHINA Abstract This paper recommends briefly the equipment and cor2 responding establishment in innovation ofNoranda reactor smelting system ,analysis of main problems existed and the op2 eration in Daye nonferrous metals corporation. K ey words Noranda reactor ;Equipment ;Operation ;Practice Application of Inverter and PLC on Multi2Funtion Bridge Crane in Anode Baking Shop 13⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ZHANG Guo2yu Abstract The paper recommends the improvement to the electric system of bridge crane for carbon baking with inverter and PLC to update the control technology of bridge crane. The pa2 per describes the improved items and the effect resulted.The new system meets the working requirements of bridge crane and improved the general perance of the bridge crane for carbon baking. K ey words Multi2function bridge crane; Inverter ; PLC; Speed regulating;Display for monitoring Application of Fuzzy Cluster Analysis in Arc Furnace Control System 17⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ WAN Xiao2yan1, FENG Xiu2juan2, WU Yin2feng1, ZHANG Xiao2li1 1. MECH ANICA L AND E LECTRICA L E NGINEE RING COLLEGE, JIANGXI INSTIT UTEOF TECH NOLOGY, G ANZHOU 341000 , CHINA 2. E NVIRON ME NTAND CIVIL E NGINEE RING COLLEGE, JIANGXI INSTI2 T UTEOF TECH NOLOGY, G ANZHOU 341000 , CHINA Abstract Several main random interfere to arc furnace are identi2 fied by fuzzy cluster analysis . Then a fuzzy control sys2 tem of arc furnace is designed ,which controls the system well. K ey words Random interfere;Arc furnace; Fuzzy cluster analy2 sis;Identify Vibration Exciter of Vibrating Table for Shaping Mill and Its Improvement 19⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ FENG Xiao2lan , J IANG Feng2xin Abstract The paper analyzes the vibration exciter widely used currently and their shortcomings ,recommends a new type of vibration exciter developed recently witch has the advantage of simple in structure ,convenient in machining ,installation and maintenance and it has a wide adjusting range of vibrating force. K ey words Vibration exciter ;Movable offset object ; Fixed offset object Analysis of Reasons for Shaft Breaking in PXQ 1200/ 150A Light Hydraulic G yratory Crusher 21⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ LI Ke2xin ,LI Hong2gang , WANG Zhong2min E QUIP ME NT AND E NE RGYSOURCEDEP ART ME NT,SH ANDONGA LU MINU M CO. ,LT D. , ZIBO 255051 , CHINA Abstract The Author analyzes the reason for the main shaft breaking witch is the most important part in PXQ1200/ 150A light hydraulic gyratory crusher by actual observation and theo2 retical analysis. Through observation to the broken section and sampling test , the shaft’s material and heat treatment are ana2 lyzed and it is pointed out that the main reason for the shaft breaking are bad chemical content and the unreasonable heat treatment. The author calculates the shaft’s loading of all sec2 tions incorporating the working conditions and gets the conclu2 sion that the theoretical dangerous section is the actual break2 ing section so that it is proved that the theoretical analysis is correct. K ey words Crusher ;Shaft ;Reason ;Analysis Improvement and the Effect of the Coal Milling Line in Alumina Production 27⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ SUN Bai2zhe , CHE Xiu2lai Abstract The paper recommends the equipments for coal milling line and safety and the simple production flow , analyzes the factors affecting the safety and running rate of coal milling , puts forward the improvement plan incorporating production practice , and shows the running and economical effects. K ey words Pulverized coal mill ;Safety;Improvement ;Waste heat utilization ;Running rate Production Practice of Disc G ranulator ofΦ5500 mm in Jin2 chang Metallurgical Plant 32⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ GU Zu2rong , J IA Shi2quan Abstract The paper recommends the application of disc granula2 tor ofΦ5500 mm in metallurgical industry. This granulator is very effective for mixing and granulation of material fed. Two granulators are used in parallel for copper smelting in Jinchang metallurgical plant ,tongling , and the second granulator is im2 proved base on the production practice of the first granulator. Now they work better and better. K ey words Granulator ;Mixing and granulation ;Modification Practice to Raise the Refrigeration Ability of Cooling Tower for Waste Electrolyte 34⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ YU Xu Abstract This paper analyzes the influence of the new liquid to the zinc quality separated out and the reason for inadequate re2 frigeration , describes the refrigerating principle of the air cool2 ing tower. The author puts forward and applied some measures in production based on the refrigerating principle of the cooling tower and raised the refrigeration ability of the cooling tower for waste electrolyte greatly ,controls the temperature of new electrolyte effectively. K ey words Cooling tower ;Air blasted;Crystallizing cycle;Pulver2 ization effect ;Refrigeration ability Application of PLC in Dense Phase Pneumatic Conveying 37 ⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ WEI Guo2ping Abstract The paper describes the realization of automatic con2 trol ,the principles and system settings as well as functions of dense phase pneumatic conveying system. K ey words Dense phase pneumatic conveying; Compressed air ; STEP5 Language;PLC Application of Regeneration Technology of Friction Surface on Water Feeding Pumps 45⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ZHANG Yan2chun , YIN Guang2xian , WANG Guo2cheng Abstract The paper recommends the application of regeneration technology of friction surface on water feeding pumps ,com2 pares and analyzes the equipment perances and energy2sav2 ing results before and after the technology is applied. K ey words Water feeding pump ; Friction surface;Regeneration ; Energy2saving