大型机械搅拌装置悬臂式搅拌轴断轴事故分析

雷海兵

(湖南长高矿山机电设备有限公司,湖南长沙 410015)

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大型机械搅拌装置悬臂式搅拌轴断轴事故分析

雷海兵

(湖南长高矿山机电设备有限公司,湖南长沙 410015)

对大型搅拌装置,悬臂长超过6 000 mm需要接驳的搅拌轴断轴事故进行分析。从理论计算着手,计算出其安全系数,并讨论加工对轴的影响。得出此类轴的设计除按静强度计算和临界转速校核之外,还必需对危险断面进行疲劳强度的校核,最终确定轴的尺寸。

断轴;理论计算;安全系数;临界转速;疲劳强度;残余热应力

在选矿行业中,曾多次发生过80～1 500 m3机械搅拌设备断轴事故,本文从搅拌轴的数学模型分析,得出搅拌轴设计和加工时应注意的问题,避免再次发生断轴事故。

1 力学模型

垂直安置在搅拌槽中心的搅拌装置正常工作时,搅拌器受扭矩T和流体径向力Fhi以及轴向推力FA(如图1所示)。流体径向力Fhi主要是介质对搅拌器的作用力和搅拌器质心偏移引起的离心力,轴向推力FA主要是介质反推力和搅拌器的重力。

2 工程实例

某湿法炼锌厂Φ12 700 mm×13 000 mm贮液槽,其搅拌装置的参数见表1。

3 校 核

校核上述湿法炼锌厂搅拌装置的搅拌轴强度与临界转速,见表2。

4 实际运行情况

湿法炼锌厂搅拌装置的搅拌轴是由Φ273 mm ×12 mm的不锈钢管轴与法兰联接,运行四个月后发生断裂,如图2所示。

由图2可以看出,两根轴的断裂都在管轴与法兰环焊缝下面附近,断口未见塑性变形,这是典型的

疲劳破坏。

图1 力学模型

表1 工程实例搅拌装置的参数

表2 轴强度与临界转速的校核

图2 搅拌轴实际运行时的断裂照片

5 核算搅拌轴危险断面疲劳强度

搅拌轴在K-K危险断面处发生断裂,这一断面是结构上存在应力集中和焊接热应力最大的区段。

校核搅拌轴危险断面疲劳强度结果见表3。

表3 搅拌轴危险断面疲劳强度的校核

轴的材质为316不锈钢,属于奥氏体型的不锈钢,其性能参数见表4。

表4 奥氏体型的不锈钢性能参数

设法兰与轴连接处角焊缝高度10 mm,可认为圆角r=10 mm,则r/d=10/273=0.037,D/d= 400/273=1.465。查出弯曲理论应力集中系数ασ= 1.9,敏感性系数q=0.67,扭转理论应力集中系数ατ=1.8。

计算有效应力集中系数:

按轴径D=273×12 mm,查出合金钢的尺寸系数ε=0.6,根据耐酸不锈钢腐蚀性介质相当于钢在淡水介质条件,查出表面加工系数β=0.6,若按未加工表面,则β=0.75。

计算的疲劳安全系数见表5。

表5 疲劳安全系数

由于焊缝存在,载荷及应力的计算精度较差,且可能存在焊接热应力,取[n]=1.5～1.8。

实际工作过程多台Φ273 mm×12 mm的轴已发生了断裂。

改用Φ325 mm×12 mm不锈钢无缝管,核算结果见表6。

所以改用了Φ325 mm×12 mm不锈钢无缝管之后,设备到目前已正常运转2 a多。

6 结束语

搅拌装置的搅拌轴是在循环变应力下工作的转轴,其大多是由于局部应力处产生裂纹,在变应力作用下扩展而最终导致断裂。

所以对于大型搅拌装置,悬臂长超过6 000 mm需要接驳的搅拌轴,其结构都存在应力集中的熔焊热应力区段,因此除按静强度计算和临界转速校核之外,还必需对危险断面进行疲劳强度的校核,最终确定轴的尺寸。搅拌轴的结构设计除采取避免造成应力集中的措施外,还应在制作工艺上进行局部热处理以消除焊接所产生的残余热应力,特别是采用耐酸的奥氏体不锈钢制作的大型搅拌轴,更应注意。

表6 奥氏体型的不锈钢性能参数

[1] HG/T 20569-94,机械搅拌设备[S].

[2] 有色金属冶炼设备编委会.湿法冶炼设备(有色金属冶炼设备第二卷)[M].北京:冶金工业出版社,1993.

[3] 徐灏.疲劳强度设计[M].北京:机械工业出版社,1981.

Abstract:For large mixing device the broken shaft accident was anayzed of long cantilever over 6 000 mm which needs to connect the stirring shaft.From theoretical calculations proceed,calculate the factor of safety,and discuss the effect of processing on the shaft.It is found that these shaft design needs not only the static strength calculation and critical speed of checking,but also check the dangerous section of fatigue strength,then ultimately determine the shaft size.

Key words:off axis;theoretical calculation;safety factor;critical speed;fatigue strength;residual stress

Broken Shaft Accident Analysis of Large-scale Mechanical Mixing Device Cantilevered Mixing Shaft

L EI Hai-bing
(Hunan Changgao Mineral Machinery Co.,Ltd,Changsha410015,China)

TH213.1

A

1003-5540(2012)03-0069-03

2012-03-29

雷海兵(1984-),男,助理工程师,主要从事搅拌槽、浮选柱等矿山机械的设计。