对在生产过程中出现断裂的双级活塞推料离心机推杆,在理论分析和扫描电镜检验的基础上,提出了改进方案。新制作的推杆经过近二年多的生产使用,证明上述分析和改进方案是符合实际的。
hr500-n双级活塞推料离心机(图1),其转鼓直径:φ500/φ438mm,转鼓转速1500r/min,分离因素630/552,推料行程:50mm,推料片与筛网间间隙0.05~0.2mm,推料次数:≤80次/min,推杆长度:1428mm。双级活塞推料离心机加料、分离、洗涤、卸料等工序都在全速运转下连续进行,能在保 证物料有够停留时间的情况,物料层较薄。且当物料被从上—级转鼓推到下—级转鼓时,使物料有松动机会,有益于物料的脱水和推送,因而适用于多种物料的分离。其工作过程中,卸料是由复合油缸等液压系统控制的往活塞带动推杆,推杆与第—级转鼓(φ438mm)由螺母联成一体共同作旋转往复运动,相邻转鼓间随推杆的往复运动交替进行物料推送,达到卸除物料的目的。该离心机由推杆带动相邻转鼓间的往复运动时均卸料,油泵和电机负荷均匀。但推杆承受着交变的载荷,推送物料时其载荷值变化较大。
hr 500-n双级活塞推料离心机,在其推杆尾部加工有螺纹,依靠旋合螺母时输入的轴向预紧力,把双级活塞推料离心机的推杆与活塞联成一体,由此传递往复运动。若旋合螺母松动或推杆断裂,则推杆与活塞联接就失效了。推杆与活塞联接一旦失效,第—级转鼓将不能产生往复运动,卸料即停止。某盐矿使用hr 500-n双级活塞推料离心机进行盐粒与母液分离,在近一个月的试生产过程中推杆发生断裂,严重影响了生产。推杆断裂部分(见图2)位于推杆尾部螺纹退刀槽处,其截面尺寸由轴向长度外径,内径决定。为解决双级活塞推料离心机推杆的使用寿命问题,本文从强度方面对推杆的断裂进行了应力分析,用扫描电镜对断裂部位进行了检验,探讨了断裂的原因并提出了改进方案。
1 推杆技 术指标及应力分析
1.1 推杆(图1)加工的技 术要求
(1)按zb77002-88《离心机、分离机锻焊件常规无 损探伤技 术规范》,作双级活塞推料离心机推杆的超声波和磁粉探伤检查;
(2)整体调质处理(240~280hb);
(3)推杆材料:45#钢、质量64kg,长1428mm。
1.2 力学模型及危险段面
根据推杆工作过程,所作简化如下:推杆尾部φ37mm的内孔承受推动活塞移动的液压,但该处的外部受到等同活塞内孔液压的作用,因而忽略液压油油 压对推杆尾部的影响。在旋转过程中,由推杆的头部带动转鼓旋转,推杆尾部不承受旋转扭矩作用,也忽略其影响。工作时,推杆尾部螺纹部分联接紧固活塞后,螺纹部分不仅承受预紧拉伸应力和拧紧力矩产生的剪应力,而且由活塞带动推杆、推杆推动第—级转鼓作往复运动卸出大小转鼓内的物料时,推杆主要承受交变载荷作用。根据机械零件设计中螺纹齿的载荷传递规律,第一扣螺纹齿承受1/3载荷。因而推杆的第一扣齿齿根与退刀槽过渡处应是危险段面。
1.3 力学性能
为检验推杆的力学性能,从该推杆取样进行了化学成分及力学性能测定,结果如表1、表2、表3所示。
根据双级活塞推料离心机受力状态计算得出:
推杆螺纹部分静力强度安 全系数:ne=2.34(安 全),[ne]=1.5~3
推杆螺纹部分疲劳强度安 全系数:na=2.78(安 全),[na]=2.5~4
zui大应力安 全系数:n=1.21(偏小)[n]=1.25~2.5
2 断口分析
2.1 断口宏观分析
工程结构的疲劳破坏主要发生在应力集中处(如缺口根部、孔口等)。hr-500n双级活塞推料离心机推杆承受交变的拉压应力,从推杆断裂处(图3)观察到:断裂面与轴线垂直,位于推杆的头扣螺纹向退刀槽过渡处,并可见到其它螺纹根部台阶形破坏断面,且能见到在推杆的头扣螺纹向退刀槽过渡的螺纹根部略靠外侧的地方,有明 显的蝶形断口(1、2所指处)。在蝶形断口中,中间的贝壳纹较细(1所指处),两侧的贝壳纹较粗(2所指处)。在贝壳纹外侧出现有拉伸瞬 间断裂和其它螺纹根部台阶形破坏断面。贝壳纹区占总面积50%左右,瞬 间断裂区(3所指处)约占50%。从力学角度看,该处是受力很大的地方,且为应力集中处,因而是易产生开裂之处。
2.2 断口扫描电镜分析
3 结果分析
影响推杆强度的因素涉及到螺纹牙的载荷分布、应力变化幅度、应力集中和材料的机械性能等几个方面。
根据图4a、4b、4c、4d扫描电镜观察结果可以认为:推杆的断裂属于典型的拉压疲劳断裂。其断裂过程是:当推杆受到交变的载荷时,在推杆的头扣螺纹向退刀槽过渡的螺纹根部是受力很大之处,并存在应力集中。因而该推杆工作时在其外侧较为薄弱处出现有裂纹(较细的贝壳纹的起点),并在与主应力线垂直的方向上扩展(但不与轴线垂直),而在壁厚中形成蝶形断口。在初期,裂纹扩展较慢(表现为较细的贝壳纹区),随后扩展较快(表现为较粗的贝壳纹区)。当裂纹扩展到大于总面积50%后,剩余的截面不能承受住推杆所负载荷,而出现瞬 间断裂区。该推杆在瞬时断裂时,因其它螺纹根部也存在有缺陷,裂纹方向性则发生转折,出现其它螺纹根部台阶形破坏断面。产生上述现象的原因是:
(1)推杆与螺母紧固后,推杆螺纹部分承受轴向力而伸长,产生了附加应力;
(2)推杆螺纹受力不均匀,头扣配合很紧,受力大;
(3)推杆退刀槽向头扣螺纹过渡的根部,车削加工的螺纹质量较差。螺纹底角半径偏小且不规则,且车削加工头扣螺纹时清理不规则;
(4)推杆退刀槽向头扣螺纹过渡的根部受力很大,且存在应力集中。因该处有 效承载面积小,单位面积上承受的应力过大;
(5)推杆承受有交变的载荷,它的应力安 全系数偏小;
(6)内孔的表面粗糙度较低,也产生了应力集中。
4 改进方案
(1)将内孔直径由φ37减少到φ32,增加推杆退刀槽向头扣螺纹过渡处的截面积,以减小该处应力值;
(2)采用半精镗工艺,加强内孔表面的加工精度,使之达到it8和ra1.6,以减小应力集中;
(3)将螺纹根部的圆角上增为r>0.5mm,加强加工精度,以减小应力集中;
(4)为减小推杆与螺母紧固后附加应力,保 证紧固联接的稳定性,推杆与螺母紧固时要采用扭力扳手;
(5)为加强螺纹牙的载荷分布和减少应力集中,应对螺母进行优化设计(螺母优化结构见图5)。
5 结束语
根据hr500-n双级活塞推料离心机推杆断裂分析和改进方案,新制作的推杆已安 全使用近两年,证明上述分析和改进方案是符合实际的。根据上述分析表明,在设计和制作承受交变应力载荷带有螺纹的零部件时,应适当增加截面积,增加螺纹根部r、加强螺纹表面加工要求及螺纹的精度等级,并采取减少应力集中措施,在保 证紧固联接的稳定性的前提下,适当减小紧固后的应力,防止发生故障。
离心机异常噪音故障和油压故障问题[2019-09-09]
