混合机轴头法兰脱落主轴断裂原因分析及处理

阮科烽

（宁波钢铁有限公司，浙江宁波 315807）

0 引言

宁波钢铁有限公司焦化厂混合机自开工以来，频繁出现轴头脱落、主轴断裂问题。由于混合机是上煤线的关键设备，焦炉所需的炼焦用煤必须先通过煤混合机混匀后经皮带输送至焦炉。一旦发生故障，将直接影响焦炉用煤，且混合机体积庞大，检修主轴需对其进行解体，长时间检修将造成对焦炉正常生产造成影响，严重者会造成焦炉供不上煤导致停产。

由于焦化厂的混合机是设备制造厂家设计、制造的第一台混合、输送能力达到900 t/h 的混合机，国内并无似规模的产品可供参考，在设计、制造过程中存在一些不到位。为此分析轴头脱落和主轴断裂的原因，对结构和材质进行重新设计、选用。使其在900 t/h 的生产能力下正常、稳定运行。

1 原因分析

输送、搅拌物料的需要，混合机的主轴支撑方式为两端支撑，中间无其它支点，且两支撑点跨距大（两支撑轴承座的距离为8014 mm），主轴重量较重（单根主轴的总重量达到5200 kg）。主轴在运转过程中不但要承受扭转、剪切应力，还承受巨大的交变应力，且交变应力会随着物料输送量的增加而加大。

1.1 轴头法兰脱落原因的分析

混合机主轴两端轴头和法兰的配合直径为Φ170 mm，配合长度为27 mm，法兰的盘面直径为Φ600 mm，两者的配合公差为H7/k6，通过6 个Φ12 mm 的圆柱销传递扭矩。轴头法兰和主轴法兰之间用12 个M20 的螺栓连接。

混合机在运转过程中产生较大的交变应力，主轴不断拉扯轴头连接法兰。由于轴头和链接法兰的配合长度较短（仅为27 mm），导致连接法兰受交变应力的作用从轴头脱落。

1.2 主轴断裂的原因分析

（1）为了减轻所输送物料对主轴的腐蚀，制造厂家选用船用钢板用来制作混合机的主轴。虽然提高了主轴的抗腐蚀能力，但船用钢板的弹性较差，主轴在不断承受交变应力的作用下，发生塑性变形，直至断裂。

（2）主轴为箱型结构，现将3 块腹板焊接成槽型体，再在槽型体内加焊“一”字筋板，最后再焊接最上方腹板。这种筋板结构无法起到有效的加强作用，无法有效抵制主轴变形。

（3）混合机制造厂家考虑主轴的抗腐蚀和耐磨性，在主轴的外面加装保护板。保护板分10 段安装，所以每段的结合处都是应力集中点。

鉴于上述三项原因，在巨大的交变应力作用下导致了混合机主轴的断裂。

2 轴头法兰和主轴的设计

引起轴头法兰脱落的原因是配合长度过短；引起主轴断裂的原因是结构设计不合理、材质选用不合适及重量过大。因此制订对策：轴头部分，增加法兰面和轴头的配合长度；主轴部分，改变主轴材质，改造加强筋板。

2.1 增加法兰面和轴头的配合长度

（1）重新制作法兰，厚度由原来的35 mm 增加至50 mm。

（2）增加套筒，长度为150 mm，与法兰盘面焊接，并加焊8块加强筋板，使其形成一体。

（3）加工原有主轴，将其与法兰配合长度由原来的27 mm增加至200 mm，并用90°方向的2 个（45×25×200）mm 的平键取代6 个Φ12 mm 圆柱销来抵抗剪切和传递扭矩（图1）。

图1 改造前后的轴头

图2 改造前后的主轴

2.2 主轴的改进与设计

（1）综合考虑钢材的各项性能，用16Mn 板取代船用钢板，制作主轴的腹板及加筋板。

（2）用12 mm 厚的钢板制作翼板，焊接成X 形主梁，在X 形主梁中间四面焊接8 mm 的通长筋板，并在主梁的纵向位置，每隔400 mm 加焊副筋板。焊接完成后上机床加工，保证各项加工精度：用16 mm 厚钢板制作主轴腹板，并在副筋板位置对应位置处钻孔；腹板放置主梁上，在钻孔处使用塞焊技术将腹板与副筋板焊接，并将腹板的两边与X 形主梁焊接，用同样的方法焊接完成4 块腹板，最后焊接两端法兰；整体进行热处理，消除焊接应力（图2）。

（3）为了不增加主轴总体重量，取消了主轴外加的保护板。重新排布叶片，将原来的76 片叶片（单轴）减少到40 片。为了不影响因叶片减少而降低混合机的混匀和输送能力，将叶片的形状由原来的矩形改为扇形，增大了叶片的受料面积。