板框廂式隔膜壓濾機
引言
近幾年，太鋼尖山礦和袁家村礦相繼進口了13臺箱式隔膜壓濾機，用于鐵精礦漿脫水，脫水效率和鐵精礦產量均大幅度提高。該型壓濾機的濾板開啟、閉合與行走由兩側的4個液壓缸（規(guī)格為HDC3OOX51OO洞步完成。液壓缸的兩端通過缸體后蓋和活塞桿銷孔，用擴張軸分別與壓濾機的固定端板與移動端板連接，銷孔與擴張軸之間加裝關節(jié)軸承和開口簧環(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構
圖2液壓缸端部的連接方式
但是，半年多時間內，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，因停產更換液壓缸給企業(yè)造成很大的經濟損失，并且給壓濾機的現(xiàn)場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為前四起壓濾機活塞桿斷裂的具體情況匯總。從表1看，四臺壓濾機活塞桿斷裂情況非常類似,基本具備下列特征：
表1四臺壓濾機的斷裂情況
| 壓濾機編號屬地（L為嵐縣袁家村礦,J為太原尖山礦） | 1L | 2J | 3J | 4L |
| 設備運行時間/月 | 24 | 11 | 11 | 11 |
| 液壓缸位置 | 左下 | 右下 | 左下 | 右下 |
| 斷裂時壓濾機狀態(tài) | 濾板卸礦 | 注礦1min | 注礦1min | 注礦1min |
| 斷裂面位置 | 軸頭大螺母內第3—4螺紋 | 軸頭大螺母內 | 軸頭大螺母內 | 軸頭大螺母內 |
| 一次性裂紋比例/% | 50 | 30 | 40 | 50 |
| 一次性裂紋位置/（。） | 45 | 210 | 255 | 155 |
| 關節(jié)軸承狀態(tài) | 未知 | 前部損壞，后部內圈松動 | 前部內圈松動，后部未知 | 前部松動，后部內圈松動 |
| 斷裂面形狀和位置（陰影部分為二次斷裂
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-詹- |
1）從斷裂面的形貌看，斷面呈現(xiàn)出截然不同的兩個部分: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。經初步分析，上述情況應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，兩次斷裂的時間差大約在數(shù)分鐘至數(shù)小時之間.每臺壓濾機情況不一。
2）斷裂均是發(fā)生在平行式液壓缸下面一個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壓濾機記錄不準），此時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節(jié)軸承都發(fā)生損壞或者松動。
HDC300X5100液壓缸的活塞桿材質為20MnV6,對應的國內牌號是20MnV,廠家提供的材料成分和機械性能如表2所示。
表2活塞桿材料成分和機械性能
| 元素含量/% | 機械性能/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30MPa,加壓側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［1］和［2］中的計算公式，該液壓紅活塞桿拉伸狀態(tài)時（濾板閉合注漿時）螺紋處承受的最大拉應力為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%計算時，螺紋處承受的最大拉應力為194~272MPa。對照表2中的機械性能拉伸安全系數(shù)分別為2.2~4.4,即在一次性裂紋達到50%時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%時螺紋處承受的最大拉應力分別達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的屈服應力計算，則屈服安全系數(shù)分別低至為1.6、1.3和1.1。
根據(jù)國內液壓缸設計規(guī)范，該型液壓缸工作壓力在20MPa以上，速比?=2,在缸筒內徑D=300mm時，根據(jù)液壓缸速比=2,查經驗表,活塞桿的適宜直徑為涉=210mm,顯然HDC3OOX51OO液壓缸的活塞桿直徑設計偏小。考慮到國內活塞桿常用45號中碳鋼材質，機械性能較20MnV6稍差，直徑可以適當減小，但是140mm的活塞桿直徑仍然較小。
液壓缸兩端銷眼所用關節(jié)軸承型號為GE160ES-2RS,原來的軸承是免潤滑的，但是發(fā)生液壓缸活塞桿斷裂的前部和后部的關節(jié)軸承都發(fā)生了松動或內圏脫落、抱死或斷裂損壞，如圖4所示。關節(jié)軸承失效后，活塞桿端部在上下和左右兩個方向的自由度受限，如果此時再發(fā)生壓濾機跑偏、液壓缸支撐下降或斷開的話，活塞桿將受到很大的彎曲應力，特別是濾板拉開卸料階段的前部螺紋處,截面積最小且有螺紋和退刀槽,復合應力集中，導致活塞桿螺紋處開裂，且初始裂紋是從下部開始形成。
圖4液壓缸關節(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:濾板拉開卸料時活塞桿全部伸出，因關節(jié)軸承失效產生較大的彎曲應力，造成活塞桿的螺紋處下部開裂，并逐漸擴展形成了一次性裂紋;濾板閉合開始注礦時,活塞桿承受最大的拉伸應力，加上注礦產生的沖擊抖動，最終造成了活塞桿被拉裂斷開,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，如下頁圖5。從活塞桿斷裂面看，同樣具有兩次斷裂的特點,與前幾次的原因應該一致。
圖5液壓缸活塞桿活塞頭部斷裂情況
2改進措施與效果
針對上述分析,結合廠家提出的建議，迅速對現(xiàn)役的13臺壓濾機進行檢修與改進。
1） 設備廠家更換4個斷裂的液壓缸,并修復1個損壞嚴重的活塞桿。
2） 免潤滑關節(jié)軸承全部更換為潤滑脂潤滑的關節(jié)軸承，并加強潤滑管理。
3）對現(xiàn)役13臺壓濾機的42個液壓缸活塞桿前端部,特別是螺紋處進行超聲蟀傷，排除了斷裂隱患。
采取上述措施后，關節(jié)軸承滑動正常，再未發(fā)生卡澀和損壞現(xiàn)象，可以消除壓濾機跑偏和液壓缸支撐下降造成的少量徑向位移,13臺壓濾機均運行平穩(wěn)。改進6個多月后,對活塞桿進行超聲波探傷，未發(fā)生微裂紋。同時，設備廠家也對未出廠的壓濾機進行了類似的改進。但是,活塞桿原有設計方面的缺陷則難以徹底改進。
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