對在生產過程中出現斷裂的雙級活塞推料離心機推桿,在理論分析和掃描電鏡檢驗的基礎上,提出了改進方案。新制作的推桿經過近二年多的生產使用,證明上述分析和改進方案是符合實際的。
hr500-n雙級活塞推料離心機(圖1),其轉鼓直徑:φ500/φ438mm,轉鼓轉速1500r/min,分離因素630/552,推料行程:50mm,推料片與篩網間間隙0.05~0.2mm,推料次數:≤80次/min,推桿長度:1428mm。雙級活塞推料離心機加料、分離、洗滌、卸料等工序都在全速運轉下連續進行,能在保 證物料有夠停留時間的情況,物料層較薄。且當物料被從上—級轉鼓推到下—級轉鼓時,使物料有松動機會,有益于物料的脫水和推送,因而適用于多種物料的分離。其工作過程中,卸料是由復合油缸等液壓系統控制的往活塞帶動推桿,推桿與第—級轉鼓(φ438mm)由螺母聯成一體共同作旋轉往復運動,相鄰轉鼓間隨推桿的往復運動交替進行物料推送,達到卸除物料的目的。該離心機由推桿帶動相鄰轉鼓間的往復運動時均卸料,油泵和電機負荷均勻。但推桿承受著交變的載荷,推送物料時其載荷值變化較大。
hr 500-n雙級活塞推料離心機,在其推桿尾部加工有螺紋,依靠旋合螺母時輸入的軸向預緊力,把雙級活塞推料離心機的推桿與活塞聯成一體,由此傳遞往復運動。若旋合螺母松動或推桿斷裂,則推桿與活塞聯接就失效了。推桿與活塞聯接一旦失效,第—級轉鼓將不能產生往復運動,卸料即停止。某鹽礦使用hr 500-n雙級活塞推料離心機進行鹽粒與母液分離,在近一個月的試生產過程中推桿發生斷裂,嚴重影響了生產。推桿斷裂部分(見圖2)位于推桿尾部螺紋退刀槽處,其截面尺寸由軸向長度外徑,內徑決定。為解決雙級活塞推料離心機推桿的使用壽命問題,本文從強度方面對推桿的斷裂進行了應力分析,用掃描電鏡對斷裂部位進行了檢驗,探討了斷裂的原因并提出了改進方案。
1 推桿技 術指標及應力分析
1.1 推桿(圖1)加工的技 術要求
(1)按zb77002-88《離心機、分離機鍛焊件常規無 損探傷技 術規范》,作雙級活塞推料離心機推桿的超聲波和磁粉探傷檢查;
(2)整體調質處理(240~280hb);
(3)推桿材料:45#鋼、質量64kg,長1428mm。
1.2 力學模型及危險段面
根據推桿工作過程,所作簡化如下:推桿尾部φ37mm的內孔承受推動活塞移動的液壓,但該處的外部受到等同活塞內孔液壓的作用,因而忽略液壓油油 壓對推桿尾部的影響。在旋轉過程中,由推桿的頭部帶動轉鼓旋轉,推桿尾部不承受旋轉扭矩作用,也忽略其影響。工作時,推桿尾部螺紋部分聯接緊固活塞后,螺紋部分不僅承受預緊拉伸應力和擰緊力矩產生的剪應力,而且由活塞帶動推桿、推桿推動第—級轉鼓作往復運動卸出大小轉鼓內的物料時,推桿主要承受交變載荷作用。根據機械零件設計中螺紋齒的載荷傳遞規律,第一扣螺紋齒承受1/3載荷。因而推桿的第一扣齒齒根與退刀槽過渡處應是危險段面。
1.3 力學性能
為檢驗推桿的力學性能,從該推桿取樣進行了化學成分及力學性能測定,結果如表1、表2、表3所示。
根據雙級活塞推料離心機受力狀態計算得出:
推桿螺紋部分靜力強度安 全系數:ne=2.34(安 全),[ne]=1.5~3
推桿螺紋部分疲勞強度安 全系數:na=2.78(安 全),[na]=2.5~4
zui大應力安 全系數:n=1.21(偏小)[n]=1.25~2.5
2 斷口分析
2.1 斷口宏觀分析
工程結構的疲勞破壞主要發生在應力集中處(如缺口根部、孔口等)。hr-500n雙級活塞推料離心機推桿承受交變的拉壓應力,從推桿斷裂處(圖3)觀察到:斷裂面與軸線垂直,位于推桿的頭扣螺紋向退刀槽過渡處,并可見到其它螺紋根部臺階形破壞斷面,且能見到在推桿的頭扣螺紋向退刀槽過渡的螺紋根部略靠外側的地方,有明 顯的蝶形斷口(1、2所指處)。在蝶形斷口中,中間的貝殼紋較細(1所指處),兩側的貝殼紋較粗(2所指處)。在貝殼紋外側出現有拉伸瞬 間斷裂和其它螺紋根部臺階形破壞斷面。貝殼紋區占總面積50%左右,瞬 間斷裂區(3所指處)約占50%。從力學角度看,該處是受力很大的地方,且為應力集中處,因而是易產生開裂之處。
2.2 斷口掃描電鏡分析
3 結果分析
影響推桿強度的因素涉及到螺紋牙的載荷分布、應力變化幅度、應力集中和材料的機械性能等幾個方面。
根據圖4a、4b、4c、4d掃描電鏡觀察結果可以認為:推桿的斷裂屬于典型的拉壓疲勞斷裂。其斷裂過程是:當推桿受到交變的載荷時,在推桿的頭扣螺紋向退刀槽過渡的螺紋根部是受力很大之處,并存在應力集中。因而該推桿工作時在其外側較為薄弱處出現有裂紋(較細的貝殼紋的起點),并在與主應力線垂直的方向上擴展(但不與軸線垂直),而在壁厚中形成蝶形斷口。在初期,裂紋擴展較慢(表現為較細的貝殼紋區),隨后擴展較快(表現為較粗的貝殼紋區)。當裂紋擴展到大于總面積50%后,剩余的截面不能承受住推桿所負載荷,而出現瞬 間斷裂區。該推桿在瞬時斷裂時,因其它螺紋根部也存在有缺陷,裂紋方向性則發生轉折,出現其它螺紋根部臺階形破壞斷面。產生上述現象的原因是:
(1)推桿與螺母緊固后,推桿螺紋部分承受軸向力而伸長,產生了附加應力;
(2)推桿螺紋受力不均勻,頭扣配合很緊,受力大;
(3)推桿退刀槽向頭扣螺紋過渡的根部,車削加工的螺紋質量較差。螺紋底角半徑偏小且不規則,且車削加工頭扣螺紋時清理不規則;
(4)推桿退刀槽向頭扣螺紋過渡的根部受力很大,且存在應力集中。因該處有 效承載面積小,單位面積上承受的應力過大;
(5)推桿承受有交變的載荷,它的應力安 全系數偏小;
(6)內孔的表面粗糙度較低,也產生了應力集中。
4 改進方案
(1)將內孔直徑由φ37減少到φ32,增加推桿退刀槽向頭扣螺紋過渡處的截面積,以減小該處應力值;
(2)采用半精鏜工藝,加強內孔表面的加工精度,使之達到it8和ra1.6,以減小應力集中;
(3)將螺紋根部的圓角上增為r>0.5mm,加強加工精度,以減小應力集中;
(4)為減小推桿與螺母緊固后附加應力,保 證緊固聯接的穩定性,推桿與螺母緊固時要采用扭力扳手;
(5)為加強螺紋牙的載荷分布和減少應力集中,應對螺母進行優化設計(螺母優化結構見圖5)。
5 結束語
根據hr500-n雙級活塞推料離心機推桿斷裂分析和改進方案,新制作的推桿已安 全使用近兩年,證明上述分析和改進方案是符合實際的。根據上述分析表明,在設計和制作承受交變應力載荷帶有螺紋的零部件時,應適當增加截面積,增加螺紋根部r、加強螺紋表面加工要求及螺紋的精度等級,并采取減少應力集中措施,在保 證緊固聯接的穩定性的前提下,適當減小緊固后的應力,防止發生故障。
離心機異常噪音故障和油壓故障問題[2019-09-09]
