本文作者：聂全胜(天津碱厂纯碱分厂)
1、基本情况
纯碱分厂重灰车间目前使用的小振动筛是引进美国ROTEX公司的振动筛,其结构见图1。
电动机通过三角带带动偏心轮,进而偏心轮带动筛子做圆周运动,配用电动机型号为P56HX,功率1/2HP,频率60Hz,标称额定转速r/min。在使用过程中,发现偏心轮轴经常断裂。偏心轮结构如图2所示。
2、偏心轮轴断裂的原因
偏心轮在电动机的带动下做圆周运动,配重铅块产生离心力F作用于轮轴上。在长期交变应力的作用下,此区域逐步形成微观裂纹,裂纹尖端的严重应力集中促使裂纹逐步扩展,由微观变成宏观,当裂纹逐步扩展到一定限度时,骤然迅速扩展,使构件截面严重削弱,最后沿严重削弱的截面发生断裂。事实上,轴断面较为明显的光滑区和粗糙区也证明了这种疲劳破坏过程。光滑区是在裂纹形成后,裂纹的2个侧面在交变应力的作用下,时而压紧,时而分开,不断反复造成的;而粗糙的颗粒状区域是最后突然断裂时形成的。
3、偏心轮疲劳破坏的影响因素
3、1 转速的影响
离心力F=mrω2,式中,m为偏心质量,r为偏心质量质心所在回转半径,ω为偏心质量的角速度。在偏心配重m一定的情况下,偏心质量的回转半径r和ω转速都将影响离心力,因r变化范围不大,故影响不大,而转速对离心力的影响将相当大。
3、2 轮轴直径的影响
直径为d的轴的抗弯截面模量W2为:W2=πd3/32由式中看出,轴的直径d直接决定抗弯截面模量的大小。断裂处的应力:σ=M/Wz=FL/Wz式中M为断裂处所受的弯矩,F为前面提到的离心力,L为相对于断裂处的离心力F的作用线。
直径大,轴的抗弯截面模量就大,轴的应力就小。虽然减小离心力F的作用线距离和增大轴的直径,都可减少轴的破坏,但不建议改动整个偏心轮。
3、3 材料的影响
对于轴本身而言,不同材料的强度差别直接影响轴的寿命。在交变应力的作用下,构件在最大应力低于材料的屈服极限时,就可能发生疲劳破坏。在交变应力作用下,应用材料的持久极限作为该依据。根据材料力学,构件在对称循环下的持久极限是:
式中:σ-1是光滑小试件的持久极限,在材料不变的条件下,其持久极限是一个定值;εσ为构件的尺寸系数,它的数值小于1。随着构件尺寸的增大,尺寸系数缓慢降低,因为大试件应力的衰减比小试件慢,大试件上的高应力区比小试件大,即大试件中处于高应力状态的晶粒比小试件的多,所以大试件形成疲劳裂纹的机会也就更多;β为表面质量系数。表面质量系数随着表面光洁度的提高而缓慢增大。当构件表面质量低于磨光试件时,β1;表面经强化处理后β1;Kσ为有效应力集中系数,它与构件的形状、尺寸有关,还与材料的强度极限σb有关。直径变化越大,相应的应力集中系数越大;而尺寸变化处,倒角与轴细端直径d之比越大,应力集中系数越小,静载抗拉强度越高,应力集中系数越大,对应力集中就更为敏感。
4、解决方法
经分析,可以用45号钢代替原轴的ZG35,来提高轴的强度。而其它诸如提高加工精度,改变轴的尺寸,虽可提高轴的强度,但影响不会很大,故此处重点讨论降低偏心轮转速的问题。
4、1 传动比及皮带轮尺寸的确定
电动机标称额定转速r/min,交流电频率为60Hz,
则其磁场转速为:n0=60f1P
式中,n0为磁场转速,f1为电流频率,P为电动机极对数。电动机在电流频率为60Hz时,对应极对数和磁场转速见表1。
由于电动机额定转速接近并略小于同步转速,与r/min最接近的同步转速n0=r/min故电动机极对数为3,该电动机未经变频,用于我国工频50Hz,对应的同步转速为:n=×/≈r/min
实际测得偏心轮计算直径为D=mm,电动机皮带轮计算直径为d=83mm,若忽略三角带传动转差率,则传动比为:i=n1/n2≈D/d=/83=3.83
偏心轮的实际转速为:÷3.83≈r/min
综合考虑,转速降低后,物料在筛子上的停留时间将延长,进而影响筛子的实际能力,故将转速降低至r/min。因偏心轮加工相对复杂,采用减少主动皮带轮的直径的方法来降低转速,
此时传动比为:i=÷=4.75
故主动皮带轮的计算直径为:d=÷4.75=66.95mm
取计算直径68mm,皮带轮外径80mm。
4、2 偏心轮轴的更改
原偏心轮轴与下座为整体铸钢结构,损坏后不易加工,将轮轴与下座分开,轴座做通孔φ45,轴改用45号钢,因45号钢的强度极限高于铸钢,其抵抗疲劳破坏的能力必然提高;将破坏处的轴承定位轴台的倒角半径适当加大,以减小此处的应力集中系数,降低此处的应力集中;提高轴的表面光洁度,使轴的表面质量系数增大;轴与下座采用较紧配合,并在轴与下座之间销钉,使以后更换轴更加方便快捷。通过以上分析和论证,对于提高偏心轮轴抵抗疲劳破坏的能力主要有7种方法,它们是:减小偏心配重;减小偏心质量回转半径;降低偏心轮转速;偏心轴选用高强度材料;增大偏心轴轴径;提高表面加工质量;减少尺寸突变等。根据实际情况,可以采用降低偏心轮的转速并对偏心轮轴结构和材质进行适当更改的方法来方便、快捷地延长偏心轴的寿命。
参考文献
[1] 秦曾煌主编.电工学[M].高等教育出版社,
[2] 刘鸿文主编.材料力学[M].高等教育出版社
中国筛分机械网及筛分机械