机械毕业设计（论文）-混煤机结构优化设计【全套图纸】 .pdf

j i a n g s u u n i v e r s i t y 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 混煤机结构优化设计 学院名称： 机械工程学院 专业班级： 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 讲师 2013 年 6 月 2 混煤机结构优化设计 专业班级：机械 0903 学生姓名： 指导老师： 职称：讲师 摘要： 宁钢五丰塘焦化厂供煤系统配置两台 900t/h 双轴叶片式混煤机，自投入运行后， 该混煤机多次发生断轴、端轴开裂等事故，造成生产中断，严重影响生产。本文通过对混 煤机基本情况的了解和对混煤机结构的分析考察，采取了改变端轴连接结构，改变主轴端 面结构提高主轴的强度和刚度等措施，从而改进混煤机设计缺陷。花键轴及相连减速机的 零部件发生损坏的故障，通过对整体结构的分析，我们认为主要就是要增大主轴及其与端 轴的整体刚度，保证端轴传递扭矩的具有足够的强度，消除端轴的径向摆动，让端轴只传 递扭矩，保证减速机、端轴、及主轴尽可能轴线对中；本文设计的亮点就是在减速机与端 轴之间增设联轴器，通过联轴器修正吸收来自负载的径向摆动。 关键词：混煤机 主轴断裂 结构连接 优化设计 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 3 abstract ningbo iron and steel plant has two 900t/h double-shaft blade type coal mixer of the coal supply system .since put into operation, the mixed coal machine, multiple shaft broken end shaft cracking accident, causing production disruptions and the serious influence production. based on the basic situation of coal mixing machine understanding and analysis of the coal mixer structure inspection, to change the link structure of axle end, change the spindle end structure improve the strength and stiffness of such measures, in order to improve the design of mixed coal machine defects. spline shaft and connected reducer parts damaged fault, through the analysis of the whole structure, we think the key is to increase the spindle and shaft stiffness, securing sufficient strength of the shaft torque transmission, eliminate the radial swing axle end, that end shaft only transmitting torque, speed reducer, ensure the end axis, and the axis of spindle as possible.the bright spot is the coupling between the reducer and shaft, through the coupling correction absorption radial swing from the load. key words: mixed coal machine shaft fracture structural connection optimum design 4 目目 录录 前言 2 abstract 3 第 1 章混煤机基本介绍 6 1.1 混煤机用途 6 1.2 操作环境 6 1.3 规范、标准和控制偏差 6 1.3.1 本机设计标准和规范 6 1.3.2 本机技术性能参数控制偏差 7 1.4 混煤机基本原理 7 1.5 混煤机基本参数 8 1.6 混煤机主要设备特点 8 1.7 关键材质表 11 1.8 数据检验大纲 11 1.9 控制系统 11 第2章混煤机出现的故障 12 第3章混煤机主轴故障原因分析及改进 14 3.1 主轴强度复核 14 3.1.1 主轴设计端面几何及力学分析 14 5 3.1.2 单根主轴的传递功率 14 3.1.3 主轴传递的扭矩 15 3.1.4 主轴危险端面受力 15 3.2 主轴的强度计算 16 3.3 主轴与端轴连结设计分析 17 3.4 主轴的结构改进设计17 3.4.1 主轴断面改进17 3.4.2 提高主轴刚度18 3.5 具体改进措施19 第4章.花键轴扭转疲劳断裂分析及改进21 4.1 花键轴断裂状况21 4.2 花键齿失效形式 21 4.3 花键齿扭转断裂分析22 4.3.1 扭转疲劳断裂原因猜想21 4.3.2 扭转疲劳断裂结论性分析23 4.4 具体改进措施 23 4.5 小结24 结 论26 致 谢27 参考文献28 6 前言前言 五丰塘焦化厂的两台 900t/h 双轴叶片式混煤机是供煤系统的关键设备，该设备能否 正常使用直接影响焦化的配煤质量和生产能否顺利进行。此前国内生产的双轴式混煤机产 能较小，该混煤机是国产产能最大的双轴式混煤机，自 2009 年 11 月份投运以来，两台 混煤机均多次发生了主轴断裂、端轴开裂脱落的事故，且事故频率逐渐增加，导致生产中 断，直接威胁整个焦化厂的生产。本文对该设备事故进行了分析，找到了设计存在的根本 缺陷，从结构上改变原设计，通过实施完善，解决了混煤机存在的问题，自改造以来，设 备运行良好，达到了设备功能考核的要求。 当今世界， 随着科学技术的迅猛发展， 轴类零件越来越广泛的应用到各种机器零件中， 成为了机器或各种部件的基础零件。轴类零件是机器或部件的基础零件，部件中的轴、套、 齿轮等与箱体零件组装成一个整体，使他们之间保持正确的位置关系，并按照一定的传关 系协调地传递运动或动力。因此，轴类零件的加工质量将直接影响机器或部件的精度、性 能和寿命。此外轴类零件的加工方法，对于提高生产效率，降低生产成本具有重要意义。 随着科学的迅猛发展，新技术的广泛应用，会有很多领域是我们未曾接触过的，只有 敢于去尝试才能有所突破，有所创新。 综合运用机械设计理论，并根据实际设计中的要求结合相关的基础知识如数学工具 的使用，能设计出高精度的机座箱体加工工艺及组合机床设计。本次毕业设计能了解到更 多机械主轴端轴等轴类设计知识，基本熟悉国家的相关设计标准、规范和准则，培养严肃 认真的科学态度。掌握正确的设计思想和方法，具备运用多学科的理论、知识、技能、进 行科技创新活动的能力、解决有一定复杂程度工程实际问题能力，掌握 autocad 的运用和 7 三维设计软件 pro/e 的使用，努力为机械精细加工方面贡献一份力，逐步缩小与世界前沿 的差距。 第 1 章.混煤机基本介绍 1.1 混煤机用途： 用于配合后的炼焦煤料的混合，使各种炼焦用煤和焦油渣、脱硫液进行充分混并输送。 1.2 操作环境： 大气温度：-6.645，相对湿度：89%。 安装位置：室内安装。 原料水分： 7-16% 散密度： 800kg/m3 1.3 规范、标准和控制偏差： 1.3.1 本机设计、制造、安装、验收以国家标准（gb 和 jb）为基础，并遵照下列标准和 规范。 gb11345 焊缝手工超声探伤方法和探伤结果分级 gb985 气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸 gb986 埋弧焊焊缝坡口的基本形式与尺寸 gb1184 形状和位置公差 gb/t1804 一般公差线性尺寸的未注公差 gb3767 噪声源声功率级的测定 jb/zq4000 锻件通用技术条件 8 gb5014 弹性柱销联轴器 gb5015 弹性柱销齿式联轴器 jb/zq4000 锻件通用技术条件 gb567585 灰铸铁件及验收技术条件 gb97967 碳素钢铸件分类及技术条件 gb568085 高锰钢铸件分类及技术条件 gb/t 11379-89 金属覆盖层.工程用铬电镀层 jb/t5068-91 金属覆盖层厚度测量 x 射线光谱测量方法 gb/t4237-92 不锈钢热扎钢板 gb/t3098.6-2000 紧固件机械性能.不锈钢螺栓、螺钉和螺柱 gjb 724-89 不锈钢电阻焊点和焊缝质量检验 jb/zq4286 包装通用技术条件 jb8 产品标牌 iec60072-1 电机外形尺寸 1.3.2 本机技术性能参数控制偏差： a) 生产能力偏差 900t/h5%； b) 混合效率90% 1.4 混煤机基本原理 混煤机的原理是该机通过两根装有呈左、右螺旋状排列的叶片的叶片轴同步反向旋 转， 把从进料口进来的物料通过搅拌轴上的叶片边搅拌边推向出料口， 最后从出料口排出。 主轴结构采用方轴形式，叶片支撑柄和主轴焊接，叶片用螺栓固定在支撑柄上。该设备结 构简图如图1.1 所示。 9 图 1.1 混煤机结构 1减速机；2轴承座（驱动端） ；3主轴；4叶片；5混合机外罩；6轴头法兰连接；7轴承座（自由端） 1.5 混煤机基本参数 该设备的主要技术参数如下： 叶轮直径：1400mm 混合轴转速: 40r/min 输送距离：6200mm 最大给料粒度：80mm 传动比:皮带轮传动比 i=1.7； 减速器传动比 i=21.8 过载系数：1.21.3 供电电源：三相交流，380v，50hz 电机功率: 752 kw 电机转速: 1480r/min 电机防护等级：ip54 绝缘等级 f 级 10 限矩型液力偶合器型号：yoxn560 减速机型号：jsj4.0- biv- f- rl1200- tb 设备总重（包括电动机） ：27t 外型尺寸：(长宽高) 1039028901965mm 1.6 混煤机主要设备特点 煤混合机主要设备特点：煤混合机主要由混合机本体、电机、传动装置组成。混合机 本体由壳体、壳体衬板、叶片、叶片主轴等组成；传动装置主要包括液力偶合器、减速机 等。 该设备结构上为平行双轴布置，轴上装有 278 片 65mn 叶片，硬度hrc48,并用不 锈钢螺栓固定在叶片支撑柄上，拆装方便，叶片厚度为 25mm，使用寿命不少于 3 年；箱体 采用 10mm 钢板，箱体内壁衬板为不锈钢，耐磨、抗腐蚀，壁厚为 3mm。 电机与行星轮减速机之间设有限矩液力偶合器，能使电机在超载情况下起动，确保电 动机不发生失速和闷车；采用行星摆线减速机传动，转动平衡，噪音低，两台行星轮减速 机的高速轴采用同步联接方式。 采用双轴结构进行煤混合，混合效率高，占地面积小；主轴结构采用方轴形式，叶片 支撑柄和主轴焊接后进行整体镀铬处理，防止脱硫废液腐蚀主轴和叶片支撑柄。叶片固定 用螺栓均采用 1cr18ni9ti 材质。 主轴支撑轴承采用调心滚子轴承，螺旋轴受力合理，轴承使用寿长；主轴支撑轴承润 滑采用电动加油泵集中润滑系统。设备要求密封严密，不允许有煤粉尘外溢；主轴采用双 端面填料密封结构，螺旋叶片轴支承密封严密，运行可靠。 混合机顶部盖板采用内衬不锈钢板全密封结构形式，盖板上设起吊环，方便检查检修 和安装，并设观察孔和双进料口，各观察孔盖与法兰连接处均采用耐碱性腐蚀橡胶板密封 条密封，保证设备运行时不会有粉尘外溢；进料口一个送煤，一个送焦油渣和脱硫液；出 料口设在另一端底部并内衬不锈钢板。混煤机实物见图 1.2-1.5 11 图 1.2 轴承座(自由端） 图 1.3 混煤机叶片 图 1.4 混煤机减速机 12 图 1.5 混煤机尾部轴承 1.7 关键材质表 表 1.1 序号 部件名称 材料 1 混合叶片 65mn（硬化） 2 混合室内壁 1cr18ni9ti 3 主轴 45#钢 4 皮带轮 ht250-280 1.8 数据检验大纲 表 1.2 检验项目 规定数据 允差 外形 尺寸 1.长度(mm)： 10390 2.宽度(mm) 2890 3.高度(mm)： 1965 箱体 1箱体壁厚（mm） 10 2箱体衬板壁厚（mm） 3 混合 1.混合主轴截面(mm): (350350)5 2.5 2.叶片回转直径(mm): 1400 -5 3. 叶片厚度(mm): 25 13 系统 4.输送长度(mm): 6200 5.混合轴平衡情况： 静平衡 g200mm/s 6. 混合轴下挠度(mm)： 3mm 1.9 控制系统 混合机在控制室操作，另设机旁操作按钮。 机旁（本地）控制（包括接线端子箱、转换开关箱并防爆设计）用于维修调试； 声光报警系统设备运行前 1 分钟开始报警，设备开始运行自动停止报警； 控制室控制（远地控制） ）控制电缆和动力电缆不在供货范围之列； 要求：只有下游皮带起动后才能起动；只有上游皮带停止后才能停止。 第 2 章混煤机出现的故障 五丰塘焦化厂供煤系统配置两台 900t/h 双轴叶片式混煤机，一用一备。该混煤机为 供煤系统的关键设备，该设备能否正常使用直接影响焦化的配煤质量和生产能否顺利进 行。该混煤机是国产产能最大的双轴式混煤机，自投运以来，两台混煤机均多次发生了主 轴断裂、端轴开裂脱落的事故，且事故频率逐渐增加，导致生产中断。 根据提供的相关现场情况，经过对主轴的强度加强处理以及对主轴、端轴相连的法兰 通过加强筋板等处理措施，这一故障解决后又出现花键轴上的外花键容易被扭曲变形甚至 断裂，同时减速机上花键套上的内花键受到不同程度的损坏以及与之相连的传动零部件也 会被破坏。 根据宁钢 900t/h 双轴叶片式混煤机的工作原理、技术协议及部分设计图纸，针对混 煤机前期出现主轴变形断裂、端轴连接法兰损坏脱落，到目前以约半年左右的频率出现花 键轴及相连减速机的零部件发生损坏的故障，本文进一步分析了混煤机的受力情况，给出 了可能的事故原因，并提出了一些改进的具体措施。 14 第 3 章.混煤机主轴故障原因分析及改进 3.1 主轴强度复核 3.1.1 主轴设计端面几何及力学分析 混煤机设计主轴的截面结构见图 3.1 图 3.1 主轴原设计截面图 截面积：a= 2 a- 2 b=3202-2802=24000( 2 mm ) 15 抗弯模量： x w =( 4 a- 4 b)/6a=(3204-2804)/6320=2260000( 3 mm ) 1x w =0.1179( 4 a- 4 b)/a=0.1179(3204-2804)/320=1598724( 3 mm ) 由计算可知，绕 x1 轴的抗弯强度较小，为危险点，用 1x w 进行强度计算。 c 截面的抗扭截面模数： t w=(0.8a3)/2=(0.80.23203)/2=3430000( 3 mm ) 式中，为矩形截面在纯扭转时的系数。 3.1.2 单根主轴的传递功率 根据设备基本参数可知，单根主轴的传递功率为 0 n 0 n = 321 hhhn=750.950.950.95=64.303(kw) 式中 1 hv 形带传动效率，取 0.95； 2 h耦合器传动效率，取 0.95； 3 h减速机传效率，取 0.95。 3.1.3 主轴传递的扭矩 主轴的转速为： n=n 电/(i 带i 减)=1480/(1.721.8)=40rpm 主轴传递的扭矩为： t = 9550n/n 9550750.950.950.95/40 = 15352 nm n 为单轴电机功率，传递功率需乘以减速机、v 带及耦合器传递效率。 3.1.4 主轴危险端面受力 单个叶片所受的力矩为: n r m f d td 513 45 . 0 86.230 = 方向水平（r=0.45当量回转半径） 轴长方向的轴向力（fa）及径向力（fr）为每个叶片的受力叠加，且有： fa / fr = tan 20 其中 20为叶片升角。 横向力： a f = 38 td f = 38 513 20kn 16 轴向力： r f = 38 td f tan 20= 38 513 tan 20 7.3kn (为叶片的升角） 由设计知：单叶片重291.4n，总重（含叶柄、方形新轴350x350x16）g=42540n，轴承跨距 l=8135mm 分析知，截面 c 处（即轴的中点处）是危险截面，现将 c 处的计算值列表如下： 表 3.1 载荷 水平面 h 垂直面 v 支反力 r rh1=9.7kn,rh2=9.7kn rv1=21.6kn,rv2=20.9kn 弯矩 m mh=39.6knm mv1=84.9knm mv2=88.1knm 总弯矩 m1=93.7knm m2=96.6knm 扭矩 t t=14.4knm 轴的弯矩图如下： 17 图 3.2 轴的弯矩图 3.2 主轴的强度计算 轴的材料为 q345 钢，查表得许用疲劳弯曲应力为： -1=45mpa 扭转切应力： =t/w=15352/3430=4.47mpa 按弯应力校核轴的强度： =m/w=96622450/1598724=80.43mpa 按弯扭合成应力校核轴的强度（根据第四强度理论）有： =90mpa 可知-1，主轴设计强度不满足要求。 3.3 主轴与端轴连结设计分析 图 3.3 原设计端轴机构图 根据上述主轴与单轴的结构设计，主轴与左右法兰的连接尺寸仅为 27 mm，这一尺寸 过小，将导致主轴与端轴连接强度不够。 经分析、 计算， 我们认为混煤机常发生的主轴断裂及端轴开裂等故障的主要原因在于： 方形主轴本身以及主轴与端轴连接结构和尺寸设计的不合理，导致了工作载荷下，主轴本 18 身的强度不够，主轴与端轴的连接强度较低。 3.4 主轴的结构改进设计 3.4.1 主轴断面改进 在断面外形尺寸不变的情况下，改变截面的结构形式，达到增加主轴强度的目的。将 主轴断面改变主轴断面结构形式，见图 3.2 注：原主轴外部叶片支座外形尺寸为 350350，现改造后，叶片支座直接焊接在主轴 上。 改变截面结构形式后截面几何及力学特性为： 截面积：a=4(35016+1438)+212350cos45=38853( 2 mm ) 图 3.2 改造后主轴截面图 抗弯模量：该截面是由外方、内方、十字筋板组成。 x-x 轴每部分的抗弯模量为： x w1=（ 4 a - 4 b ）/6a=(3504-3184)/6350=2633521( 3 mm ) x w2=（ 4 a - 4 b ）/6a=(1604-1434)/6160=247081( 3 mm ) x w3= 2 ccos45/12=495212cos45/12=2078792( 3 mm ) c-十字筋板的长度 x w = x w1+ x w2+ x w3=2633521+247081+2078792=4736394( 3 mm ) x1-x1 轴每部分的抗弯模量为： 19 11x w=0.1179( 4 a - 4 b )/a=0.1179 (3504-3124)/350=1862952( 3 mm ) 12x w=0.1179( 4 a - 4 b )/a=0.1179 (1604-1434)/160=174785( 3 mm ) 13x w=(d 2 c + 2 dc)/12=(124952+122495)/12=250965( 3 mm ) 1x w = 11x w+ 12x w+ 13x w=1862952+174785+250965=2288702( 3 mm ) 由上述计算可知，绕 x1-x1 轴抗弯模量为计算强度抗弯模量。 扭剪模量： t w= t w=0.8(a13+a23)/2=0.80.2 (3503+1603)/2=3757680( 3 mm ) 扭转切应力： t t=t/ t w=14396625/3757680=3.83mpa 按弯应力校核轴的强度： c s = 1 m/ 1x w =96622450/2288702=42.2mpa 按弯扭合成应力校核轴的强度（根据第四强度理论）有： ca s = 22 3 tc ts +=42.7mpa 可知=42.7mpa-1，满足强度要求。 3.4.2 提高主轴刚度 在主轴全长部分横向（垂直轴线）等分间断增加筋板，使主轴整体形成桁架结构，每 块筋板同外腹板采用塞焊工艺，从而大大提高了主轴整体刚度。见图 3.3 图 3.3 改造后主轴结构图 20 1筋板；2腹板；3翼板（一）；4翼板（二）；5法兰 3.5 具体改进措施 （1）增大方轴有效厚度，以提高抗弯、抗扭截面模量，以加强主轴强度。可通过尝试在 空心方轴内加入加强筋等措施； （2）增大主轴与端轴的配合尺寸，提高结合强度； （3）主轴危险截面在中间位置，可尝试在主轴中央区域减小叶片尺寸，或在中间区域适 当增大叶片间距，降低局部载荷。 3.6 小结 常见的轴有曲轴、直轴和软轴三种。直轴又可分为：转轴，工作时既承受弯矩又承 受扭矩，是机械中最常见的轴，如各种减速器中的轴等。心轴，用来支承转动零件只承 受弯矩而不传递扭矩，有些心轴转动，如铁路车辆的轴等，有些心轴则不转动，如支承滑 轮的轴等。传动轴，主要用来传递扭矩而不承受弯矩，如起重机移动机构中的长光轴、 汽车的驱动轴等。轴的材料主要采用碳素钢或合金钢，也可采用球墨铸铁或合金铸铁等。 轴的工作能力一般取决于强度和刚度，转速高时还取决于振动稳定性。 轴的结构设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸，为轴设计的重要步骤。它由轴上 安装零件类型、尺寸及其位置、零件的固定方式，载荷的性质、方向、大小及分布情况， 轴承的类型与尺寸，轴的毛坯、制造和装配工艺、安装及运输，对轴的变形等因素有关。 可根据轴的具体要求进行设计，必要时可做几个方案进行比较，以便选出最佳设计方案， 以下是一般轴结构设计原则： （1）、节约材料，减轻重量，尽量采用等强度外形尺寸或大的截面系数的截面形状； （2）、易于轴上零件精确定位、稳固、装配、拆卸和调整； （3）、采用各种减少应力集中和提高强度的结构措施； （4）、便于加工制造和保证精度。 轴用轴承支承，与轴承配合的轴段称为轴颈。轴颈是轴的装配基准，它们的精度和表 面质量一般要求较高，其技术要求一般根据轴的主要功用和工作条件制定。 轴类零件的位置精度要求主要是由轴在机械中的位置和功用决定的。通常应保证装配 21 传动件的轴颈对支承轴颈的同轴度要求，否则会影响传动件(齿轮等)的传动精度，并产生 噪声。 轴类零件的几何形状精度主要是指轴颈、外锥面、莫氏锥孔等的圆度、圆柱度等，一 般应将其公差限制在尺寸公差范围内。起支承作用的轴颈为了确定轴的位置，通常对其尺 寸精度要求较高(it5it7)。装配传动件的轴颈尺寸精度一般要求较低(it6it9)。 第 4 章.花键轴扭转疲劳断裂分析及改进 4.1 花键轴断裂状况 之前经过对主轴及端轴连接法兰的加强处理，主轴变形断裂、端轴连接法兰损坏脱落 问题解决后，强度基本满足使用要求。而花键轴及相连减速机的零部件发生损坏的故障， 尚待解决。同时花键轴上的外花键容易被扭曲变形甚至断裂，同时减速机上花键套上的内 花键受到不同程度的损坏。 4.2 花键齿失效形式 表 4.1 失效形式 主要特征 主要原因 预防措施 键齿面压 溃 键齿面及次表面材料出 现明显的金属流动；在 齿顶，齿端出现飞边； 键齿面被压陷，作用侧 隙增大。 花键材料硬度偏低， 接触应 力过高，单项误差偏大 提高齿面硬度；提高花 键的公差等级，压缩单 项公差增加接触面积， 降低接触应力。 键齿面磨 损 键齿面材料大量磨掉； 齿厚明显减薄；工作齿 面与键齿面非工作部分 交界处出出现台阶，作 用侧隙增大 存在摩擦磨损或微动磨损； 有较大振动和冲击载荷； 润 滑不良；润滑油有杂质，产 生磨粒磨损或有活性成分， 产生腐蚀磨损， 作用侧隙偏 采用强制润滑；控制润 滑油清洁度及活性成 分；采用较小作用侧隙； 键齿面喷涂相应材料 22 4.3 花键轴扭转断裂分析 4.3.1 扭转疲劳断裂原因猜想 （1）花键轴根部是否有加工缺陷, 如微裂纹、尖角、切削刀痕等，造成了应力集中； （2）花键轴表面硬度是否过低，有效硬化层是否过浅，这样将导致强度低 不耐磨容易断 裂； （3）渗碳层深度不够造成的强度降低。根据产品的断口可以看出，渗碳层深度没有1.0mm。 对于这种轴类，产品在使用过程中主要受扭力，渗碳是为了增强表面的强度，而轴类扭转 过程中表面承受的力是最大的，深度不够造成强度不满足要求。 （4）花键由于腐蚀等因素造成内部缺陷，当瞬时过载时产生扭断。 （5）配合间隙过大。 （6）花键轴或轴套安装的同轴度严重超差，导致过大的径向剪切力； 大。 键齿面柔 伤 键齿接触表面局部呈疲 劳片状剥落；有冷作硬 化现象；常发生在齿端、 齿根、齿顶或几个键齿 上 键齿表面局部应力过大； 齿 面硬度低；受变动载荷；花 键的单项误差偏大。 提高齿面硬度；压缩单 项公差；增加润滑；键 齿面喷涂相应材料。 键齿过载 断裂 通常发生在键齿根部； 断口有呈放射状裂纹高 速扩展区；断口无贝壳 纹疲劳线和明显的宏观 塑性变形 键齿所受弯曲应力过高； 载 荷严重集中，突然过载；单 项误差偏大；材料缺陷 设计时充分考虑强度裕 度；防止过载；缩小单 项公差；控制材料与加 工质量 键齿疲劳 断裂 一般疲劳折断的键齿断 口分3个区：断裂源区； 疲劳折断的发源处，是 贝壳纹疲劳线的焦点， 位于齿根受拉侧。疲劳 扩展区：有又焦点向外 扩展的疲劳线。瞬断区： 类似过载断裂的断口 齿根受交变应力过大， 花键 强度裕度小； 材料或热处理 等因素； 齿根最小曲率半径 小，应力集中大。 选择较好材料；控制材 料和热处理质量，采用 圆齿根花键，减小应力 集中。 23 （7）挤出机安装不够规范，摩擦力较大，运行功率大于额定功率；润滑不够摩擦力较大， 运行功率大于额定功率； （8）转动付损坏，主轴扭矩增大；料内混入异物，导致主轴扭矩增大； 4.3.2 扭转疲劳断裂结论性分析 根据 900t/h 煤混合机技术协议书，以及部分图纸，经过分析、计算及受力校核。我 认为目前的故障原因主要在于： 主轴本身在工作载荷情况下，将承受较大的径向力的作用，而且随着负载能力的提高 以及工作介质的负荷增加，该径向力将增大。在该力的作用下，主轴有沿着径向方向不断 摆动的趋势，由于主轴的结构设计为空心方轴，与端轴之间通过刚性法兰连接，这将造成 主轴及相连的端轴整体刚度很难保证。刚度不够，主轴所受到的径向力将不断的使主轴沿 径向摆动，如果轴的强度不够，这一力的作用加上传递的扭矩的负荷作用首先将导致主轴 及相连法兰的断裂、脱落，这也正是混合机前期故障的主要原因。通过加强处理后，主轴 强度已经能够抵御破坏，但是刚度不够的话，该力依然会传递给端轴，使其形成径向方向 的微小摆动。而减速机的花键套与端轴上花键轴直接相连，径向方向的摆动将不断积累疲 劳，最终导致花键轴上外花键和花键套上内花键及与花键套相配合的零部件的损坏。 4.4 具体改进措施 根据上述故障分析， 要解决目前的故障， 主要就是要增大主轴及其与端轴的整体刚度， 消除端轴的径向摆动，让端轴只传递扭矩，保证减速机、端轴、及主轴尽可能轴线对中； 另外，还要保证端轴传递扭矩的时候，具有足够的强度。 考虑到混煤机目前情况及现场实际等因素， 为了消除目前存在的故障， 提出整改措施如下： （1） 检测并修正主轴与端轴法兰连接轴线偏差和法兰连接的稳固，避免轴连接间自身的 轴线偏差； （2） 重新检测主轴及主轴头尾部两端的支撑的轴线对中情况，校正使用中震动带来的轴 线偏差；校正后两端支撑的轴承座要限位，防止工作中再由于震动而移位；同时加固头尾 部的轴承座支撑，减少支撑的震动； （3）提高端轴（花键轴）强度。首先确保花键轴外花键根部无加工缺陷, 如微裂纹、尖 角、切削刀痕等，其次确保对花键轴自身硬度均匀和花键齿表面做硬化处理；（在同样硬 度下， 花键轴花键套配合首先磨损的是花键轴。 根据提供的端轴图纸， 花键轴的材质为 45#， 24 并且轴未要求调制处理和花键齿的表面硬化处理，我们认为这也是花键轴较其他先损坏的 原因。建议花键轴材质改用 40cr 甚至 42crmo，调质处理 hb250280，花键齿做渗氮处理， 渗氮层 0.30.5mm,齿部硬度 hv500550。） （4）消除端轴(花键轴)带动花键套在减速机内部的径向摆动。考虑在减速机与端轴之间 增设联轴器，通过联轴器修正吸收来自负载的径向摆动。经过对现场空间和各种联轴器特 性的比较，我建议选着 swc 型万向联轴器。（示意见图 4.2） 图 4.2 swc 型万向联轴器 4.5 小结 自对该混煤机主轴、端轴结构进行改造，重新制造的主轴安装在混煤机。通过设备的 试生产、生产，从未出现过轴断裂、端轴开裂脱落现象。改造后设备运行情况良好，状态 稳定。经对该设备进行功能考核，该混煤机已全面达到混煤 900t/h 的生产能力，基本达 到工艺设计功能要求，较好的满足了生产的需求，较好的解决了制约焦化厂生产的瓶颈问 题。 该公司的混煤机之前由于原始设计存在的问题制约了混煤机的运行。本次对混煤机主 轴、端轴的改进针对性强，在大型轴类零件的结构设计、制造质量、整体刚度方面都具有 指导意义，为生产更大的箱型轴类零件积累了经验。 通过对五丰塘焦化厂双轴叶片式混煤机存在缺陷的分析研究，对主轴和端轴的结构进 25 行改造，较好地解决了该混煤机的设计缺陷，解决了制约焦化生产的瓶颈问题。改造后混 煤机运行稳定，性能达到了功能考核的要求。该主轴的结构改造也为我国箱型结构构件提 高强度、刚度，对该类零件的制造工艺等方面积累了经验。 结论 本文通过对混煤机出现问题了解和考察，对混煤机结构的剖析，对材料的性能的认知 和选用，运用机械设计原理相关知识针对主轴变形断裂端轴开裂以及花键轴上花键的变形 断裂等问题，进行结构改进设计。 根据提供的相关现场情况，该混煤机前期常发生的故障主要是主轴变形断裂及端轴连 接法兰强度不够，该设备故障严重影响了正常生产，制约了产能。改进方案如下： （1）增大方轴有效厚度，以提高抗弯、抗扭截面模量，以加强主轴强度。可通过尝试在 空心方轴内加入加强筋等措施； （2）增大主轴与端轴的配合尺寸，提高结合强度； （3）主轴危险截面在中间位置，可尝试在主轴中央区域减小叶片尺寸，或在中间区域适 当增大叶片间距，降低局部载荷。 后期出现新的故障为花键轴上的外花键容易被扭曲变形甚至断裂，同时减速机上花键 套上的内花键受到不同程度的损坏以及与之相连的传动零部件也会被破坏。我们进行了重 新设计，而且这也是本文设计的重中之重。通过对原始结构的分析，我们认为主要就是要 增大主轴及其与端轴的整体刚度，消除端轴的径向摆动，让端轴只传递扭矩，保证减速机、 端轴、及主轴尽可能轴线对中；另外，还要保证端轴传递扭矩的时候，具有足够的强度。 针对混煤机目前情况及现场实际等因素，为了解决目前存在的故障，提出整改措施如 下： （1） 检测并修正主轴与端轴法兰连接轴线偏差和法兰连接的稳固，避免轴连接间自身的 轴线偏差； （2） 重新检测主轴及主轴头尾部两端的支撑的轴线对中情况，校正使用中震动带来的轴 线偏差；校正后两端支撑的轴承座要限位，防止工作中再由于震动而移位；同时加固头尾 26 部的轴承座支撑，减少支撑的震动； （3）提高端轴（花键轴）强度。首先确保花键轴外花键根部无加工缺陷, 如微裂纹、尖 角、切削刀痕等，其次确保对花键轴自身硬度均匀和花键齿表面做硬化处理；建议花键轴 材质改用 40cr 甚至 42crmo， 调质处理 hb250280， 花键齿做渗氮处理， 渗氮层 0.30.5mm, 齿部硬度 hv500550。 （4）消除端轴(花键轴)带动花键套在减速机内部的径向摆动。考虑在减速机与端轴之间 增设联轴器，通过联轴器修正吸收来自负载的径向摆动。 随着科学技术的迅猛发展，在当前的机械制造业，轴类零件广泛的应用到各种机器零 件中，是机器或各种部件的基础零