引言

近幾年，太鋼尖山礦和袁家村礦相繼進(jìn)口了13臺(tái)箱式隔膜壓濾機(jī)，用于鐵精礦漿脫水，脫水效率和鐵精礦產(chǎn)量均大幅度提高。該型壓濾機(jī)的濾板開(kāi)啟、閉合與行走由兩側(cè)的4個(gè)液壓缸（規(guī)格為HDC3OOX51OO洞步完成。液壓缸的兩端通過(guò)缸體后蓋和活塞桿銷(xiāo)孔，用擴(kuò)張軸分別與壓濾機(jī)的固定端板與移動(dòng)端板連接，銷(xiāo)孔與擴(kuò)張軸之間加裝關(guān)節(jié)軸承和開(kāi)口簧環(huán)，上下面再用螺栓固定罩蓋，如圖1和圖2所示。

圖1液壓缸活塞桿前部端頭結(jié)構(gòu)

 

圖2液壓缸端部的連接方式

但是，半年多時(shí)間內(nèi)，接連發(fā)生了四起液壓缸活塞桿斷裂和一起活塞桿損壞事件。此后,又發(fā)生了兩起活塞桿斷裂事故，因停產(chǎn)更換液壓缸給企業(yè)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，并且給壓濾機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)操作人員也造成巨大的心理壓力。

1活塞桿斷裂情況分析

表1為前四起壓濾機(jī)活塞桿斷裂的具體情況匯總。從表1看，四臺(tái)壓濾機(jī)活塞桿斷裂情況非常類(lèi)似,基本具備下列特征：

表1四臺(tái)壓濾機(jī)的斷裂情況

壓濾機(jī)編號(hào)屬地（L為嵐縣袁家村礦,J為太原尖山礦）	1L	2J	3J	4L
設(shè)備運(yùn)行時(shí)間/月	24	11	11	11
液壓缸位置	左下	右下	左下	右下
斷裂時(shí)壓濾機(jī)狀態(tài)	濾板卸礦	注礦1min	注礦1min	注礦1min
斷裂面位置	軸頭大螺母內(nèi)第3—4螺紋	軸頭大螺母內(nèi)	軸頭大螺母內(nèi)	軸頭大螺母內(nèi)
一次性裂紋比例/%	50	30	40	50
一次性裂紋位置/（。）	45	210	255	155
關(guān)節(jié)軸承狀態(tài)	未知	前部損壞，后部?jī)?nèi)圈松動(dòng)	前部?jī)?nèi)圈松動(dòng)，后部未知	前部松動(dòng)，后部?jī)?nèi)圈松動(dòng)
斷裂面形狀和位置（陰影部分為二次斷裂 布）ZK煮廚	-詹-

1）從斷裂面的形貌看，斷面呈現(xiàn)出截然不同的兩個(gè)部分:一部分較光滑，顏色較深,面積占總截面的30%-50%;另一部分較粗糙，有明顯的拉裂狀痕跡，顏色較淺。經(jīng)初步分析，上述情況應(yīng)該是兩次斷裂造成的:前者為一次裂紋，似彎曲所致;后者則明顯是拉伸斷裂形成的斷面，如圖3所示。根據(jù)彎曲裂紋斷面的銹蝕程度估計(jì)，兩次斷裂的時(shí)間差大約在數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí)之間.每臺(tái)壓濾機(jī)情況不一。

2）斷裂均是發(fā)生在平行式液壓缸下面一個(gè)活塞桿前部的截面最小的螺紋處，且主要是在濾板閉合的注礦起始階段斷裂的（1L壓濾機(jī)記錄不準(zhǔn)），此時(shí)液壓缸的工作壓力最大,活塞桿呈拉伸狀態(tài)。

3）發(fā)生斷裂的活塞桿的前后關(guān)節(jié)軸承都發(fā)生損壞或者松動(dòng)。

HDC300X5100液壓缸的活塞桿材質(zhì)為20MnV6,對(duì)應(yīng)的國(guó)內(nèi)牌號(hào)是20MnV,廠家提供的材料成分和機(jī)械性能如表2所示。

表2活塞桿材料成分和機(jī)械性能

元素含量/%										機(jī)械性能/MPa
w(C)	w(Si)	w(Mn)	w(P)	w(S)	w(Cr)	w(Mo)	w(Ni)	w(Al)	w(V)	Rm
0.150	0.390	1.340	0.014	0.028	0.150	0.010	0.050	0.027	0.120	592	450

液壓缸的工作壓力為：減壓側(cè)30MPa,加壓側(cè)1.5MPa₀液壓缸、活塞桿和活塞桿螺紋處的直徑分別為300mm,140mm和121.8mm,根據(jù)文獻(xiàn)［1］和［2］中的計(jì)算公式，該液壓紅活塞桿拉伸狀態(tài)時(shí)（濾板閉合注漿時(shí)）螺紋處承受的最大拉應(yīng)力為136MPa。如果活塞桿已有30%~50%的一次性裂紋，按活塞桿面積的50%~70%計(jì)算時(shí)，螺紋處承受的最大拉應(yīng)力為194~272MPa。對(duì)照表2中的機(jī)械性能拉伸安全系數(shù)分別為2.2~4.4,即在一次性裂紋達(dá)到50%時(shí)也不足以拉裂活塞桿的裂紋處。

根據(jù)廠家提供資料，如果考慮到注礦作用力9MPa、自重彎曲力49MPa和卡澀軸承彎曲力84MPa,受力截面為100%、70%和50%時(shí)螺紋處承受的最大拉應(yīng)力分別達(dá)278MPa、336MPa和414MPa,拉伸安全系數(shù)則降低為2.1、1.8和1.4,顯然偏低。如果按照450MPa的屈服應(yīng)力計(jì)算，則屈服安全系數(shù)分別低至為1.6、1.3和1.1。

根據(jù)國(guó)內(nèi)液壓缸設(shè)計(jì)規(guī)范，該型液壓缸工作壓力在20MPa以上，速比?=2,在缸筒內(nèi)徑D=300mm時(shí)，根據(jù)液壓缸速比=2,查經(jīng)驗(yàn)表,活塞桿的適宜直徑為涉=210mm,顯然HDC3OOX51OO液壓缸的活塞桿直徑設(shè)計(jì)偏小。考慮到國(guó)內(nèi)活塞桿常用45號(hào)中碳鋼材質(zhì)，機(jī)械性能較20MnV6稍差，直徑可以適當(dāng)減小，但是140mm的活塞桿直徑仍然較小。

液壓缸兩端銷(xiāo)眼所用關(guān)節(jié)軸承型號(hào)為GE160ES-2RS,原來(lái)的軸承是免潤(rùn)滑的，但是發(fā)生液壓缸活塞桿斷裂的前部和后部的關(guān)節(jié)軸承都發(fā)生了松動(dòng)或內(nèi)圏脫落、抱死或斷裂損壞，如圖4所示。關(guān)節(jié)軸承失效后，活塞桿端部在上下和左右兩個(gè)方向的自由度受限，如果此時(shí)再發(fā)生壓濾機(jī)跑偏、液壓缸支撐下降或斷開(kāi)的話(huà)，活塞桿將受到很大的彎曲應(yīng)力，特別是濾板拉開(kāi)卸料階段的前部螺紋處,截面積最小且有螺紋和退刀槽,復(fù)合應(yīng)力集中，導(dǎo)致活塞桿螺紋處開(kāi)裂，且初始裂紋是從下部開(kāi)始形成。

圖4液壓缸關(guān)節(jié)軸承損壞情況

綜合上述分析，活塞桿前部斷裂是分兩次發(fā)生的:濾板拉開(kāi)卸料時(shí)活塞桿全部伸出，因關(guān)節(jié)軸承失效產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，造成活塞桿的螺紋處下部開(kāi)裂，并逐漸擴(kuò)展形成了一次性裂紋;濾板閉合開(kāi)始注礦時(shí),活塞桿承受最大的拉伸應(yīng)力，加上注礦產(chǎn)生的沖擊抖動(dòng)，最終造成了活塞桿被拉裂斷開(kāi),形成二次斷裂面。此外,該型液壓缸的活塞桿直徑也偏小,特別是活塞桿兩端螺紋處直徑更小，且應(yīng)力集中。

兩次活塞桿斷裂部位是在液壓缸活塞頭部活塞桿螺紋處，如下頁(yè)圖5。從活塞桿斷裂面看，同樣具有兩次斷裂的特點(diǎn),與前幾次的原因應(yīng)該一致。

圖5液壓缸活塞桿活塞頭部斷裂情況

2改進(jìn)措施與效果

針對(duì)上述分析,結(jié)合廠家提出的建議，迅速對(duì)現(xiàn)役的13臺(tái)壓濾機(jī)進(jìn)行檢修與改進(jìn)。

1） 設(shè)備廠家更換4個(gè)斷裂的液壓缸,并修復(fù)1個(gè)損壞嚴(yán)重的活塞桿。

2） 免潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承全部更換為潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑的關(guān)節(jié)軸承，并加強(qiáng)潤(rùn)滑管理。

3）對(duì)現(xiàn)役13臺(tái)壓濾機(jī)的42個(gè)液壓缸活塞桿前端部,特別是螺紋處進(jìn)行超聲蟀傷，排除了斷裂隱患。

采取上述措施后，關(guān)節(jié)軸承滑動(dòng)正常，再未發(fā)生卡澀和損壞現(xiàn)象，可以消除壓濾機(jī)跑偏和液壓缸支撐下降造成的少量徑向位移,13臺(tái)壓濾機(jī)均運(yùn)行平穩(wěn)。改進(jìn)6個(gè)多月后,對(duì)活塞桿進(jìn)行超聲波探傷，未發(fā)生微裂紋。同時(shí)，設(shè)備廠家也對(duì)未出廠的壓濾機(jī)進(jìn)行了類(lèi)似的改進(jìn)。但是,活塞桿原有設(shè)計(jì)方面的缺陷則難以徹底改進(jìn)。

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