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    MSD400木片挤压机断轴成因分析

    2020-09-07
    杨振宇
    (岳阳林纸股份有限公司,414000)
     
    摘 要:介绍了化机浆关键设备MSD断裂情况,从载荷、化学成分、力学性能、金相、强度等方面对断裂的成因进行分析,并使进口设备的备件实现国产化。

    国内第一条杨木PRC-APMP生产线于2003年在岳阳林纸投产。系统中有2台MSD400木片挤压机,用以对预浸前的木片进行脱水和挤压撕裂,使木片成束状、丝团状,然后与药液在预浸器中充分完成渗透作用,以便于磨浆。其核心部件—挤压螺旋轴,在使用中时有断裂,其它纸厂也发生类似事故(据不完全统计发生断轴30多起)。我们就螺旋轴的断轴成因进行了分析,并对其参数进行改进,实现备件国产化配套。
     
    1 螺旋轴的载荷特点及断口位置
     
    1.1使用工况及载荷特点
     
    该轴为变截面轴。工作段最细处φ210mm,最粗处φ364mm,长度3623mm。表面带有焊接叶片,叶片外径φ400mm,木片挤压比为1:2.8,见图1。
    图1 木片挤压螺旋的构造
     
    螺旋轴按功能可分为输送段、压缩段、光轴料塞段。
    图2 螺施轴功能区
     
      料塞段设计成没有叶片的光轴,木片经过挤压撕裂后在此处形成结实的料塞。其作用一方面封住浸渍的药液,同时也成为支撑螺旋轴悬臂的支点。这样该轴前端由轴承支持,后端由料塞支撑,同时通过转动将撕裂的木片挤压进预浸器。
     
    由此可以看出该轴承受以下的交变载荷:
     
    l 冲击极大的波动扭转载荷
     
    由于轴上的螺旋叶片是不连续的,从轴端面看有大约90°间隔,并且间隔的相位一致,这样轴在转动过程中压紧木片时,会受到极大的冲击扭转载荷,另外轴上6个疏解条也产生冲击扭转载荷。具有冲击性的波动扭转载荷会使螺旋轴产生较大的扭振现象,反过来更增大了扭转应力的均值及尖峰值。
     
    从螺旋轴的结构可以发现输送段由于直径最小,故该段的扭转应力最大。尤其是输送段与压缩段的交汇处还会出现应力集中。    
     
    l 极不均衡的波动弯曲载荷
     
    由于轴上的螺旋叶片的不连续,在压缩段会产生周期性的波动弯曲载荷,而木片的紧实程度不均匀以及料塞段木片支撑的不稳定会产生周期性杂乱。
     
    因此,该螺旋轴既承受波动扭转载荷又承受波动弯曲载荷。
     
    l 波动轴向压缩载荷
     
    1.2断口位置
     
    从螺旋轴的受力分析可以发现,由于输送段直径最小,扭转应力最大。在压缩段弯曲应力最大,由于该段直径大故扭转应力反而较小。
     
    故断口位置出现在输送段或压缩段都是是合理的,首先出现在哪里取决于轴本身的缺陷和使用的工况(木片的硬度、密度、药液的均匀度等等)。
     
    2 螺旋轴宏观断口分析
     
    焊层表面光滑,形成连续较规则的焊波。焊道大约与横向截面(φ300)成30°。表面有长短不一,间距不等的裂纹。螺旋轴外表面存在较大的磨损,自外圆面按焊层现存厚度大致分为四区,即1-2-3.3-2mm。其中δ=1mm区较小约80°,δ=2mm较宽约90°~100°,δ=3.3m区约80°,而φ400的出料端因堆焊层为环向,裂纹为轴向和环向。其外表成瓦块状,几十毫米不等,见照片(图4)。

    在δ=1mm区域,外圆磨损严重。其堆焊波纹已基本磨平,仅保留下焊道间“沟”区。且表面磨出深约0.1mm(估计)环向沟。在δ=3.3mm区域则基本不见,且堆焊波纹完好。

    断口距叶片进料端约50mm。

    本分析的断裂螺旋轴断口位于直径本体φ300mm处,属于压缩段的高压区,断口图3。
     
    图3断口照片
     
    如图3所示,断口分为两区:
     
    l 外层的堆焊层区
     
         堆焊层断裂成外表环状区。厚度1~3.3mm不等,最厚处位于距叶片头右旋约80mm(表面量)。δ=1mm附近的外圆面已严重磨损,焊波磨平,且出现环向约0.1mm的沟。该区域的裂纹起源于焊后造成的焊接裂纹。在表层焊接过程中,其径向温度梯度较大,使得在加热与冷却过程其温差应力较大,从而形成残余应力。在工作应力叠加下,形成堆焊层裂纹扩展。
     
    该区域的裂纹大体分两类;一类是焊接后形成,有径向撕裂纹,已见到的最大深度约2mm。另一类裂纹相对平坦,表面灰色,带有一定“纤维”状的塑性,颜色深于外圆面(外圆面经过全程磨损)。从断口及金相上可见到径向裂纹在使用中不断扩展,最深约40mm,金相上可见裂纹沿铸造缺陷及晶界发展(非全部,见后面金相组织照片)。这一区由于焊后残余应力较高,形成外圆面上螺旋状裂纹,工作后又叠加上剪应力及弯曲应力,使堆焊层经历应力腐蚀和腐蚀疲劳(这时应力脉动相对较?。?。由于轴颈较大,再加上轴本体与耐磨层性质不同,环向断口的工作处于平面应变状态,裂纹经横向发展,直到最后全环面的断裂。
     
    断口上有点状腐蚀产物,形态平坦,颜色略深。
     
    由于弯曲应力较小,未见挤压痕迹。总体上其扩展周期相对较短。
     
    结论:该区域的裂纹由表面堆焊产生的应力腐蚀以及使用过程的腐蚀疲劳形成。
     
    l 向内的第二区为螺旋轴本体断裂区
     
    疲劳源区由相距约90°两区构成,每区又由4~5点疲劳源构成。疲劳源位于本体材料表面,源区深度最大约20mm,表面因挤压而发白。再向前是条条弧形线,直到约50mm左右汇合,再整体向前发展,进入快速扩展区。在汇合中可见介质的作用,表面成灰色。扩展区可见纤维状断口,直到最后约80mm(径向到对面)进入最终快速断裂区(终断区),其弧线间距明显加大,裂纹扩展速度加快。这些弧形线称为裂纹前沿线,是应力剧烈变化的标志。由于裂纹加大,静截面不断减小,工作应力不断上升,振动加大,附加应力快速上升造成,继续扩展就到终断区。由于腐蚀关系,这里将最后快速扩展,比如每周近1毫米。
     
    量级扩展等归结终断区,它不像空气中断裂有明显边界。该断裂区断口为典型的贝壳状花样,是典型的疲劳断裂特征,初始断口与φ300mm平面成约20°,逐步转成与轴线垂直的平面,这正是弯曲应力不断上升而剪应力退居次位的结果。
     
        该段承受扭转和弯曲应力,以及轴向挤压应力。弯曲应力的来源主要是轴的自重及支点的不稳定造成的附加应力。由于螺旋轴不连续叶片结构,螺旋轴上无叶片与有叶片相位差近90°,使得两弯曲方向抗弯截面相差近2倍,造成螺旋轴的弯曲应力和挠度在两个方向的极大不同,这正是轴最终断裂向叶片头这一方向靠拢原因,同时也是轴承受的弯曲应力巨大波动的一个原因。
     
    在轴转动过程中裂纹随转动而闭合张开,药液除对裂纹尖端有腐蚀作用外,还在裂纹闭合时产生巨大的内压,对裂纹两侧形成轴向拉应力,随着裂纹深度加大,腐蚀介质的力学作用越来越大,尤其对裂纹尖闭合与张开,使轴向应力的上升,这加速了裂纹扩展。
     
    该区域除疲劳源区约20mm处为明亮色,向外成灰色证明了腐蚀作用。
     
    结论:该区域的断口由弯扭复合腐蚀疲劳造成。
     
    3 MSD国产化效果
     
    通过对断轴原因的分析,我们针对性地采取技术措施,进行国产化改造。改造后设备从2016年上半年运行至今,效果非常理想,平均日产能提高了10%。
     
    来源:《中华纸业》2017年 第10期

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