PCS-5型立式破碎机过热轴承原因分析及对策*

周 为，周文超

(宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644003)

1 PCS-5型立式粉碎机结构及工作原理

PCS-5型立式粉碎机是四川宜宾金齿轮有限责任公司系列蜂窝煤机指定配套设备，用于将煤块破解并传输至蜂窝煤机压制成不同规格大小成品。该机具有结构简单，操作维修方便，机械安装占地面积小，单位功率粉碎比大，易于调节粉碎粒度，且可连续闭路粉碎等优点。自投产以来，累计生产数百台，获得蜂窝煤机用户认可。

1.1 结构组成

PCS-5型立式粉碎机主要由电机(7.5 kW)、机体、间隙调整装置、转子部等结构单元组成。机体由料斗、筒体用钢板焊接而成，筒体设计有一对活门，用于安装维修之用；间隙调整装置通过调整锤头与筒体内衬板之间的间隙；转子部主要由主轴、转盘、轴承、轴承座、锤头组成。

1.2 工作原理

PCS-5型立式粉碎机粉碎原理为：煤块通过料斗进入粉碎机筒体后，受到高速旋转锤头撞击而首次破碎；较小煤块在离心力的作用下，高速冲向筒体内衬板，经过内衬板的反弹，再次被锤头破碎。与此同时，煤块之间也相互撞击。如此反复，最终形成质量较小的煤炭颗粒从出料口排出，破碎细度可通过调整锤头与筒体内衬板间隙大小来实现。

2 问题及分析

PCS-5型立式粉碎机自作为蜂窝煤机配套设备投放市场以来，质量信息反馈显示：使用总体正常，但故障时有发生，个别用户甚至要求退货。根据2010年1～6月售后维修记录统计，对各结构部故障及转子部故障细分情况分析如表1、2所列。

表1 PCS-5型立式粉碎机各结构部故障率 /%

表2 转子部各组件故障率 /%

根据表1和表2不难看出，“转子部”在粉碎机各结构部故障率最高，而“轴承失效”又是“转子部”的“重灾区”。实际上，转盘销孔变形、锤头磨损，都会导致旋转体质量分布不均产生动不平衡，这种对转子轴产生的周期性冲击动载荷(挠力)一旦超过容许值，就会发生机器振动、轴承发热失效。理论的分析同售后维修人员记录故障情况相吻合：机器产生轻微振动伴有异响声、轴承部位发热烫手(已经超过60 ℃)、振动异响变大、电路开关跳闸、主轴“抱死”、电机烧毁。

造成PCS-5型立式粉碎机轴承过热失效的原因主要有：电机转子同主轴不同心、转盘质量偏小、操作者班后养护不佳等三方面。

2.1 电机转子轴同主轴不同心问题

2.1.1电机转子轴同主轴不同心分析

(1) 转子静平衡和动平衡分析 立式破碎机转子不平衡有两种情况：①转子重心不在转子的旋转轴上， 此时，必然产生静力不平衡； ②转子主惯性轴与旋转轴线交错， 且相交于转子的重心上， 即回转中心线与其几何中心线相交， 当转子旋转时， 则产生不平衡力矩， 出现动力不平衡现象。这两种不平衡现象都对转子产生很大的动载荷 (即挠力) 从而引起机器的振动，使主轴、 轴承、 轴承座等零部件受力恶化。转子产生不平衡离心力大小通过以下公式[1]计算：

式中：C为不平衡离心力(kg)；G为转子的质量(kg)；e为转子重心对旋转轴的偏心距(mm)；ω为转子的角速度( rad/s)；g为重力加速度。

图1 轴联接示意图

(2) PCS-5型立式粉碎机传动结构分析 PCS-5型立式粉碎机传动结构如图1所示，电机通过联轴套同主轴硬连接。这样就存在两个不同心误差：联轴套同主轴产生一个联接误差，随后同电机转子产生另一个联接误差。两个联接误差迭加形成累积误差的大小，取决于制造质量、零件设计和装配精度。

由于粉碎机转子部各零件为全尺寸加工，且尺寸加工精度不低于IT3级、表面粗糙度不低于Ra12.5,因此，可以认定：转子部各组件质量均匀分布，其重心和旋转轴重合，产生的静不平衡冲击忽略不计[2]。

2.1.2电机转子轴同主轴不同心的改进措施

(1) 联接套的改进。联接套的设计虽然提高了机械加工工艺性，却带来了装配联接误差。经过多次讨论，决定取消联接套、改为在主轴端面镗孔与电机转子轴颈联接。

(2) 为了选定电机转子轴颈与主轴孔配合公差数据，经过反复试验发现：随着配合间隙增大，装配容易，电机轴承、主轴轴承温度下降，小于40 ℃，符合设计使用要求；但是，当配合间隙超过0.10 mm后，会加剧对联接平键及其键槽的冲击磨损。因此，优化的间隙配合公差范围以+0.05～+0.08 mm为宜。试验数据见表3所列。

表3 装配公差试验数据表

2.2 转盘质量偏小

2.2.1转盘转动惯量分析

PCS-5型立式粉碎机转盘由6块组成、总重30kg，用于悬挂锤头。粉碎机工作时，如果煤块偏大且加料不均匀，会对转子部造成较大的冲击载荷。这种现象持续1 h后，轴承温度会升高30℃。解决方法有两个：在主轴上加装一个飞轮以蓄能，或加大转盘直径增重以增加转动惯量。其目的都是：当电机转速增高时，转子部动能增加，把能量贮蓄起来；当转速降低时，转子部动能减少，把能量释放出来，用来减少机械运转过程的速度波动。同时也可起到改变机器的共振频率的作用，减少机器运行时的震动和噪音。

在主轴上加装一个飞轮，虽然能够明显提高转子部运转平稳性，但需要增大电机功率、更换向心推力轴承型号，从而较大幅度增加成本。经过分析对比，最终排除这一方案。另一方案是：加大转盘直径和增加转盘重量，以增大转动惯量。具有结构改动小、生产成本控制好、效果同样明显等优点。

根据力学知识，一个刚性物体的转动惯量取决于该物体的质量大小及分布状况、质量与旋转轴的距离。由于粉碎机加料不均匀对转动部的冲击载荷是随机的，转盘转动惯量的增大减小对改善粉碎机运转平稳的影响，可通过电机负载电流的变化来观察[3]。

2.2.2增大转盘转动惯量的改进措施

为了确定粉碎机转盘直径及厚度数据，经过反复试验发现：随着转盘尺寸增大，满负荷加料操作，电机瞬时最高负载电流会有所下降、主轴轴承温度也同时下降，小于50 ℃，符合设计使用要求；但是，当转盘质量超过70 kg后，电机瞬时最高负载电流下降幅度减小，同时主轴轴承温度有所上升。因此，优化的转盘质量以总重60 kg左右为宜。试验数据见表4所列。

表4 转盘质量实验数据表

2.3 操作者班后养护分析

根据售后维修人员反馈，操作不规范主要存在如下两个方面：一是不能按时对轴承进行清洗换油或换油时加注过多；二是锤头更换方法不对。

轴承内润滑油过多、过少或老化也是引起轴承过热而损坏的原因之一。按照使用说明书要求：粉碎机工作200 h后，应该对主轴轴承清洗换油，润滑脂占轴承空间的70%～80%，过多或过少都不利于轴承润滑和热传递[4]。及时全部更换磨损的锤头，以减小不规则磨损造成的动不平衡冲击。

3 改进效果

为降低PCS-5型立式粉碎机主轴轴承过热失效的故障率，反复分析产生的原因，一一落实改进措施，于2010年下半年改款粉碎机投放市场，接受用户检验。根据售后质量跟踪，主轴轴承过热失效故障率大幅下降，生产效率由原来每班35 t提高到42 t，受到配套主厂和用户好评。2010年上半年与2010年同

期轴承故障率变化情况对比如图2所示。

图2 PCS-5粉碎机轴承故障变化对比图

4 结 语

粉碎机是矿山、建筑、水泥、冶金等行业广泛使用的机械设备之一，主轴轴承又是粉碎机上很重要的零件。在生产实际中，主轴轴承过热失效是粉碎机发生故障的最主要原因。引起主轴轴承发热的因素有很多，结合PCS-5型立式粉碎机的使用情况，追踪产品质量信息，采纳用户意见，经过反复分析，找出主轴轴承过热故障的原因：联轴器设计不合理、电机转子装配公差偏小、转盘质量偏小等。针对存在问题进行改进，使得粉碎机设计、装配工艺更合理。

参考文献：

[1] 成大先.机械设计手册(上册)[M].北京：化学工业出版社，2000.

[2] 姜 波.钳工工艺学 [M].北京：中国劳动社会保障出版社，2009.

[3] 李为民.机械工程设计实用案例[M].北京：机械工业出版社，1995.

[4] 宋昊明.状态监测在预防设备事故及判断故障上的应用[J].机械研究与应用，2010(5)：85-87.