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圓錐破碎機主軸大過盈裝配設計與安裝檢測探究

2018-01-15

付曉蓉
（洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司，河南洛陽　471039；礦山重型裝備國家重點實驗室，河南洛陽　471039）

　　圓錐破碎機主要用于礦石/巖石的中碎、細碎作業(yè)，在礦山、水利、冶金、化工、建材和工程建設等領域應用廣泛，是物料破碎的關鍵設備和實現選礦工藝“多碎少磨”的一個重要環(huán)節(jié)。隨著技術的不斷進步，圓錐破碎機的產能和工作效率逐步提高，設備性能、工作穩(wěn)定性和自動化程度都有了極大的提升。目前，世界上Z主要的圓錐破碎機廠家有芬蘭的Metso(美卓礦機)、丹麥的FL-Smidth(福勒史密斯)、瑞典的Sandvik(山特維克)和德國的Thyssen Krupp(蒂森克虜伯)等，其破碎機產品經歷了多代機型的發(fā)展，技術處于領先水平。而國內圓錐破碎機技術則相對落后，產品大多以仿制為主，沒有掌握核心技術，產品性能和工作穩(wěn)定性不足，大型礦山和骨料制備項目上所使用的大功率、大規(guī)格的圓錐破碎機基本依賴進口。

　　1　國內圓錐破碎機現狀
　　目前國內常用的進口圓錐破碎機主要分為2種：一種是單缸液壓圓錐破碎機，以Sandvik的CH系列和Metso的GP系列為代表；另一種是主軸固定式多缸液壓圓錐破碎機，以Metso的HP、MP系列為代表，這幾種系列的圓錐破碎機都在不斷地優(yōu)化改進，提高產品性能，它們占據了國內圓錐破碎機市場很大的份額。
　　近些年來，國內部分破碎機制造商加強了圓錐破碎機的開發(fā)力度，并取得了一些成果，如中信重工機械股份有限公司(以下簡稱“中信重工”)開發(fā)的CCS系列單缸液壓圓錐破碎機(見圖1)和CC系列多缸液壓圓錐破碎機(見圖2)，這些產品經過長時間的礦山試驗，設備性能和工作穩(wěn)定性都比較好，能夠滿足行業(yè)的使用需求。

　　相對于單缸液壓圓錐破碎機，主軸固定式多缸液壓圓錐破碎機更多地利用了“層壓破碎”原理，破碎效果和產品能效都更好一些，特別是在細碎作業(yè)中效果非常明顯，國內外許多礦山的實踐應用也證實了這一點，因此，多缸圓錐破碎機的應用越來越廣泛。
　　筆者針對主軸固定式多缸液壓圓錐破碎機的關鍵零件主軸的安裝，分析了傳統(tǒng)安裝方法的不足，并提出一種新型安裝、檢測方法和工裝，并通過實際裝配應用，驗證了新型安裝方法的高效性、實用性和可靠性。

　　2　破碎機主軸結構和安裝要求
　　以中信重工CC系列多缸液壓圓錐破碎機為例，其內部結構如圖3所示。破碎機主軸過盈安裝在破碎機機架中心孔內，用于支撐破碎機的整個回轉部件，破碎機偏心套部圍繞著主軸旋轉，偏心套部驅動動錐部產生旋擺運動，實現對破碎腔內物料的破碎作業(yè)。破碎機工作過程中主軸如果出現移動/松動，很有可能會導致破碎機的嚴重損壞，因此，破碎機主軸安裝的可靠性將直接影響破碎機工作的穩(wěn)定性，進而影響整個破碎工藝流程的生產效率。

　　由于破碎機工作時主軸受載較大，除了要承擔動錐部自重和破碎腔礦石所產生的向下的壓力外，還需要承擔從動錐部傳遞過來的破碎力的作用和與偏心套部之間的滑動軸承摩擦產生的轉矩，并且由于破碎機工作時的沖擊、振動大且頻繁，因此，圓錐破碎機的裝配對主軸安裝的過盈量大小、垂直度、中心和高度位置有非常嚴格的要求，一般采用錐孔大過盈量的配合方法來保證其承載能力和安裝的可靠性。同時，為了避免過大的過盈量產生塑性變形和過大應力，需要對主軸和機架中心孔的裝配過盈量進行準確的計算。
　　通常情況下，可以根據破碎機主電動機功率、破碎力大小、零件材料、加工精度、主軸直徑及錐孔配合長度等參數來設計選擇過盈量。對多個規(guī)格圓錐破碎機主軸過盈量的實際計算結果顯示，主軸裝配所需的過盈量較大，部分規(guī)格的過盈量已經遠遠超過主軸直徑的1‰。

　　3　錐孔大過盈裝配工藝設計
　　3.1　傳統(tǒng)裝配工藝
　　通過分析機架和主軸的結構特性(見圖3、4)以及主軸裝配技術要求，為了簡化裝配工藝，同時更好地保證裝配精度，保護裝配表面，首先排除了壓裝裝配工藝方法，考慮采用熱裝或冷裝兩種裝配工藝技術。但是受較大過盈量的影響，采用傳統(tǒng)的熱裝或冷裝裝配工藝技術有如下缺點：

　　(1)單純采用熱裝裝配工藝技術，包容件(機架)的加熱溫度會很高，可能會造成機架的熱應力變形，同時還會影響到機架上其他精加工表面的質量精度。由于破碎機機架外形尺寸較大，結構比較復雜，精加工面比較多，關鍵尺寸和形位公差要求比較嚴格，因此，采用僅加熱(機架)的熱裝工藝難以滿足Z終裝配要求。
　　(2)單純采用冷裝裝配工藝技術，被包容件(主軸)的冷卻溫度要求會很低，目前的冷卻設備難以到達冷裝時所需要的冷卻溫度，因此，采用僅冷卻(主軸)的冷裝工藝不能滿足裝配時所需要的裝配間隙要求。
　　3.2　新裝配工藝
　　為了解決上述問題，通過分析計算和試驗驗證，提出了一種冷裝、熱裝相結合的錐孔大過盈裝配制造技術。主要是通過改變破碎機機架和主軸之間的溫度差，使兩者之間產生所需要的裝配間隙，同時設計了一套輔助檢測工裝——主軸支撐梁工裝(見圖5)，通過它又可實現主軸裝配過程中的調整、檢測和定位。

　　主軸的安裝主要分為以下幾個步驟：
　　(1)預裝主軸，檢查錐面接觸率，利用自重將主軸豎直地放在機架中心孔內，檢查錐面接觸情況，達不到設計要求就配研。
　　(2)接觸均勻且滿足設計要求后，利用工裝檢測出主軸此時的高度位置，并記錄相關數據。
　　(3)根據錐面參數將所需過盈量換算成主軸下降高度，據此選擇主軸支承梁上安裝的墊片厚度，調整主軸支撐梁的高度符合主軸安裝后的位置要求。
　　(4)安裝主軸支承梁，并拆除主軸。
　　(5)根據過盈量計算出主軸需要冷卻收縮后的尺寸，計算冷卻溫度并選擇冷卻方式。冷裝時冷卻溫度

　　式中：d¹為主軸冷卻部分過盈量，mm；α¹為主軸材料的線膨脹系數，℃^-1；d為配合平均直徑，mm。
　　(6)冷凍主軸，控制冷卻溫度，使主軸外徑收縮，同時隔一段時間檢查主軸外徑尺寸，滿足要求即冷凍完成。
　　(7)根據過盈量計算出機架中心孔需要加熱擴張后的尺寸，計算加熱溫度并選擇加熱方式。注意加熱溫度不能太高，以免造成機架變形或表面氧化。熱裝時加熱溫度

　　式中：d²為機架加熱部分過盈量，mm；d³為熱裝時Z小間隙，mm；α²為機架材料的線膨脹系數，℃^-1；t為環(huán)境溫度，℃。
　　(8)局部加熱機架，控制加熱溫度，定時測量中心孔尺寸，待達到要求后，立即將冷卻后的主軸裝入中心孔內，并通過主軸支撐梁工裝來控制高度位置。
　　(9)當主軸和機架達到相同溫度后，拆除主軸支撐梁工裝。
　　(10)檢查主軸高度位置并做記錄，驗證是否滿足設計要求。
　　采用上述方法完成了多臺不同規(guī)格的主軸固定式多缸液壓圓錐破碎機主軸的裝配工作，經過實踐驗證，該方法安裝定位準確，操作方便，有效提高了主軸的安裝效率。

　　4　實際應用
　　以中信重工研制的CC系列某型號圓錐破碎機主軸的安裝過程為例，對上述裝配方法進行詳細說明。
　　根據設計要求，主軸需通過過盈配合固定在機架上，主軸與機架為錐孔配合，根據主軸尺寸、過盈量計算結果和裝配技術要求，Z終設計裝配前后主軸在豎直方向移動量P=3.8~4.3mm。主軸與機架的過盈較大，為保證機架溫度不宜過高，用電熱毯包裹加熱機架，保證溫度不超過200℃，并用液氮冷卻主軸，在條件滿足后將主軸可靠裝入機架孔內。安裝過程具體包括以下步驟。
　　4.1　計算加熱/冷卻溫度
　　根據零件尺寸和裝配要求，選擇合適的冷卻/加熱方法，并確定零件冷卻/加熱后所需達到的尺寸。在冷卻/加熱過程中按要求檢查這些尺寸達到要求后，方可順利完成主軸的安裝。
　　根據現有條件，主軸采用液氮冷裝，液氮冷卻溫度-195℃，依據式(1)及相關參數計算可得主軸采用液氮冷卻時的Z大冷縮量。
　　根據上述主軸的Z大冷縮量和零件過盈量及裝配所需間隙，得出機架內孔加熱后所需要的熱脹量。依據式(2)及相關參數計算可知，機架采用電熱毯加熱至200℃時的熱脹量可以滿足要求，并且不會造成機架受熱變形。

　　4.2　主軸與機架的預裝
　　(1)清理機架孔和主軸的配合錐面，清除毛刺和雜質。
　　(2)將主軸吊入機架孔內，為了使兩件受力均勻且連接緊固，用紅丹粉檢查兩件的接觸，保證接觸率達80%以上，達不到要求則配研。
　　(3)主軸必須先非常穩(wěn)固地吊放在機架孔內，圓周方向多點測量，并記錄主軸底面到機架孔底面之間的距離，各個測量值應基本相同。
　　(4)使用塞尺來測量和記錄主軸與機架在主軸底部之間的間隙，測量4個點(相隔90°)并計算平均值，平均間隙應等于或小于0.1mm，目的是驗證主軸和機架孔之間的配合是緊密的。
　　(5)使用深度千分尺多點測量并記錄機架底部和主軸底部之間的距離H(見圖7)，如果測量中有微小差別，取平均值；如果尺寸偏差較大，提起主軸，旋轉180°，并且重新將主軸放于機架中，得到新的測量結果。

　　(6)通過主軸支撐梁工裝把緊于機架底部，保證主軸的Z終裝配。不壓入時，實際檢測主軸小端面距離底架尺寸端面的距離H=88.9mm，主軸裝入的移動量(設計給定)P=3.8~4.3mm(按中間值P=4選取)，P=H-h，通過調整墊片組厚度S，保證工藝要求的h=88.9-4=84.9mm，即為Z終位置，如圖8所示。

　　(7)主軸預裝在機架內時，在和主機架頂部上平齊的主軸上刻線，并刻出主軸需向下移動P=3.8~4.3mm(Z大、Z小)時的線(共3道線)，便于驗證主軸裝配時是否移動在P范圍內。打配對標記來確保主軸放回到機架時兩者之間的位置關系。
　　(8)拆掉主軸。
　　(9)使用內徑千分尺測量并記錄主機架孔頂部直徑，使用外徑千分表測量并記錄主軸錐體頂部垂直圓柱面上的直徑，用來監(jiān)測機架內孔膨脹量和主軸收縮量。
　　4.3　主軸與機架的總裝
　　(1)冷卻主軸，將主軸放入冷凍箱，并使用干冰填塞，按要求冷卻一段時間后，取出主軸并測量外徑，將測量結果與目標直徑比較(此步驟應當在開始加熱主機架前至少10h實施)；然后將主軸錐段朝下豎直放入另一個冷凍箱內，周圍緩慢傾倒液態(tài)氮，逐漸增加液態(tài)氮量，但是不允許超過主軸的錐形段范圍，使用千分尺定期檢查主軸直徑。
　　(2)加熱主機架，清理機架臂和中心孔區(qū)域，用電熱毯包住機架內孔及機架臂等(機架位置見圖7)。加熱溫度200℃左右，加熱4~5h，檢查機架中心孔加熱后尺寸，自制量棒，檢查與加熱前的漲量，當漲量達到前述計算結果時，并且主軸冷卻到要求尺寸后立即裝配。
　　(3)安裝主軸。放置軸之前應確保支撐梁工裝厚度h調整到位，并且已經牢固地安裝到機架底部。校準配對標記，吊運主軸進入機架孔內直到堅固地放在調整好的主軸支撐梁上，如果軸未接觸主軸支撐梁，則立即拆除，繼續(xù)冷卻主軸或加熱機架，達到合適直徑或溫度后再重新安裝。
　　(4)當主軸堅實固定在墊片組上1h后，松開主軸支撐梁緊固件。軸和機架中心轂達到相同溫度以后，檢查機架孔底部與主軸之間的距離h并做記錄，以獲得Z終軸移動量，驗證是否滿足設計要求。

　　5　結論
　　按照上述方法進行主軸安裝的多臺圓錐破碎機在用戶現場長時間帶料運行后，即使破碎機嚴重過載/過鐵，都沒有出現主軸移動/松動的情況，證實了該安裝方法的可靠性。結合目前國產圓錐破碎機的技術水平和現狀，可以得出以下結論：
　　(1)所論述的圓錐破碎機主軸大過盈量安裝檢測方法及工具，解決了傳統(tǒng)安裝方法難以保證所需裝配間隙等缺點，為該類型圓錐破碎機主軸的精確、高效安裝提供了切實可行的辦法；
　　(2)通過在新型破碎機上實際應用表明，主軸定位準確，安裝方便，破碎機運行穩(wěn)定，驗證了該過盈量設計方法的準確性和安裝方法的可行性、實用性，對該類型破碎機的研發(fā)具有非常重要的現實意義，對提高我國圓錐破碎機的技術水平也很有幫助。

來源：《礦山機械》2017年第5期