Die Hauptwelle des Kegelbrechers, ein wichtiges rotierendes Bauteil, das die Exzenterbuchse mit dem beweglichen Kegel verbindet, erfüllt wichtige Funktionen wie Kraftübertragung (Antrieb der exzentrischen Rotation des beweglichen Kegels), Lastaufnahme (Haltung von axialen und radialen Belastungen bis zu mehreren Tausend Kilonewton), Führung der Exzenterbewegung (Aufrechterhaltung der Umlaufbahn des beweglichen Kegels) und strukturelle Ausrichtung (Sicherstellung der Konzentrizität zwischen beweglichem und festem Kegel). Sie erfordert außergewöhnliche Zugfestigkeit, Dauerfestigkeit und Maßgenauigkeit für den Betrieb bei 500–1500 U/min.
Strukturell handelt es sich um ein gestuftes, zylindrisches oder konisches Schmiedeteil, das aus dem Wellenkörper (hochfester legierter Stahl 42CrMo oder 35CrNiMo mit 100–500 mm Durchmesser und 500–2000 mm Länge), der oberen Kegelhalterung, der Schnittstelle der Exzenterbuchse, Lagerzapfen, Schultern und Keilnuten sowie Schmierkanälen besteht.
Der Herstellungsprozess umfasst Schmieden (Erhitzen des Blocks auf 1100–1200 °C, Freiformschmieden, Präzisionsschmieden) und Wärmebehandlung (Vergüten, lokale Oberflächenhärtung). Der Bearbeitungs- und Herstellungsprozess umfasst die Grobbearbeitung, die Präzisionsbearbeitung kritischer Merkmale, das Bohren von Schmierkanälen, das Auswuchten und die Oberflächenbehandlung.
Die Qualitätskontrollprozesse umfassen Material- und Schmiedeprüfungen (chemische Zusammensetzungsanalyse, Ultraschallprüfung), Maßhaltigkeitsprüfungen (mit Koordinatenmessgerät und Laserausrichtungswerkzeug), Prüfungen mechanischer Eigenschaften (Härte- und Zugfestigkeitsprüfung), zerstörungsfreie Prüfungen (MPT- und Wirbelstromprüfung) sowie Funktionsprüfungen (Rotations- und Belastungsprüfung). Diese Prozesse stellen sicher, dass die Hauptwelle die erforderliche Präzision, Festigkeit und Zuverlässigkeit erreicht, um die Brechbewegung des Kegelbrechers im Bergbau und in der Zuschlagstoffverarbeitung anzutreiben.
Detaillierte Einführung in die Hauptwellenkomponente des Kegelbrechers
1. Funktion und Rolle der Hauptwelle
Die Hauptwelle (auch Spindel genannt) ist ein wichtiges rotierendes Bauteil im Kern des Brechers und verbindet die Exzenterbuchse mit dem beweglichen Kegel. Zu ihren Hauptfunktionen gehören:
Kraftübertragung: Überträgt das Drehmoment von der Exzenterbuchse auf den beweglichen Kegel und treibt dessen exzentrische Rotation an, um Quetschkräfte zu erzeugen.
Tragfähigkeit: Aufnahme axialer und radialer Belastungen durch den beweglichen Kegel und den Zerkleinerungsprozess (bis zu Tausenden von Kilonewton) und Übertragung dieser Kräfte auf die Lager des Rahmens.
Exzentrische Bewegungsführung: Durch die Zusammenarbeit mit der Exzenterbuchse wird die Umlaufbahn des beweglichen Kegels aufrechterhalten, wodurch eine stabile Kontrolle des Brechspalts und eine gleichmäßige Materialverarbeitung gewährleistet werden.
Strukturelle Ausrichtung: Aufrechterhaltung der Konzentrizität zwischen dem beweglichen und dem festen Kegel, entscheidend für eine gleichbleibende Produktgröße und geringeren Verschleiß der Auskleidungen.
Aufgrund ihrer Rolle bei Hochgeschwindigkeitsrotationen (500–1500 U/min) und hoher Belastung erfordert die Hauptwelle eine außergewöhnliche Zugfestigkeit, Dauerfestigkeit und Maßgenauigkeit.
2. Zusammensetzung und Aufbau des Hauptschachtes
Die Hauptwelle ist ein gestuftes, zylindrisches oder konisches Schmiedeteil mit folgenden Hauptmerkmalen:
Wellenkörper: Eine einteilige Schmiedekonstruktion aus hochfestem legiertem Stahl (z. B. 42CrMo oder 35CrNiMo) mit einem Durchmesser von 100 mm bis 500 mm. Die Länge variiert je nach Brechergröße, typischerweise zwischen 500 und 2000 mm.
Obere Kegelhalterung: Ein konischer oder mit Gewinde versehener Abschnitt an der Oberseite zur Befestigung des beweglichen Kegels mit einer präzisionsbearbeiteten Oberfläche (Toleranz IT6), um die Konzentrizität sicherzustellen.
Exzentrische Buchsenschnittstelle: Ein zylindrischer Mittelteil mit polierter Oberfläche (Ra0,8 μm), der in die Exzenterbuchse passt, oft mit Ölnuten zur Schmierung.
Lagerzapfen: Zwei oder mehr zylindrische Abschnitte (oben und unten), die mit den Lagern des Rahmens zusammenpassen und enge Maßtoleranzen (IT5–IT6) und eine Oberflächenrauheit (Ra0,4 μm) aufweisen, um die Reibung zu minimieren.
Schultern und Keilnuten: Radiale Schultern, die die axiale Bewegung von Lagern oder Buchsen begrenzen, und Keilnuten zur Drehmomentübertragung zwischen Welle und beweglichem Kegel.
Schmierkanäle: Axial und radial gebohrte Löcher, die Schmiermittel an die Lagerzapfen und die Schnittstelle der Exzenterbuchse liefern und so Überhitzung und Verschleiß verhindern.
3. Schmiede- und Wärmebehandlungsprozess
Aufgrund der hohen Tragfähigkeitsanforderungen wird die Hauptwelle im Schmiede- und nicht im Gussverfahren hergestellt, um die strukturelle Integrität zu verbessern:
Materialauswahl:
Hochfester legierter Stahl (42CrMo) wird aufgrund seiner hervorragenden Zugfestigkeit (≥1080 MPa), Streckgrenze (≥930 MPa) und Schlagzähigkeit (≥60 J/cm²) bevorzugt und eignet sich für Anwendungen mit dynamischer Belastung.
Schmiedeprozess:
Blockerwärmung: Der Stahlblock wird in einem Gasofen auf 1100–1200 °C erhitzt, wodurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung zur Verbesserung der Plastizität gewährleistet wird.
Freiformschmieden: Der Block wird mithilfe hydraulischer Pressen (1000–5000 Tonnen) in eine grobe Stufenform geschmiedet. Dabei werden mehrere Durchgänge durchgeführt, um die Kornstruktur zu verfeinern und innere Defekte zu beseitigen. Wichtige Schritte sind das Stauchen (zur Vergrößerung des Durchmessers) und das Ziehen (zur Verlängerung der Länge).
Präzisionsschmieden: Das Rohschmiedestück wird in das endgültige Stufenprofil mit nahezu Nettoabmessungen geformt, wobei die Bearbeitungszugaben auf 5–10 mm reduziert werden.
Wärmebehandlung:
Abschrecken und Anlassen: Die geschmiedete Welle wird auf 850–880 °C erhitzt, 2–4 Stunden gehalten und anschließend in Öl abgeschreckt, um eine martensitische Struktur zu erhalten. Durch das Anlassen bei 550–600 °C für 4–6 Stunden wird die Sprödigkeit verringert, was zu einer Härte von 28–35 HRC und optimierter Zähigkeit führt.
Lokale Oberflächenhärtung: Lagerzapfen und Keilnuten werden durch Induktion auf eine Tiefe von 2–5 mm gehärtet und erreichen HRC 50–55, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern und gleichzeitig die Kernzähigkeit zu erhalten.
4. Bearbeitungs- und Herstellungsprozess
Schruppbearbeitung:
Der geschmiedete Rohling wird auf einer CNC-Drehmaschine montiert, um alle Außenflächen (Durchmesser, Schultern, Konen) mit einer Fertigungstoleranz von 1–2 mm zu bearbeiten. Wichtige Abmessungen (z. B. Zapfendurchmesser) werden auf ±0,1 mm kontrolliert.
Präzisionsbearbeitung kritischer Merkmale:
Lagerzapfen: Fertig gedreht und geschliffen, um eine Maßtoleranz von IT5 (z. B. φ200H5) und eine Oberflächenrauheit von Ra0,4 μm zu erreichen, wodurch eine ordnungsgemäße Passung mit Lagern und minimale Reibung gewährleistet wird.
Konische Halterung: Die obere Kegelhalterung ist auf eine Kegelwinkeltoleranz von ±0,05° und eine Oberflächenrauheit von Ra0,8 μm fertigbearbeitet, wodurch die Konzentrizität mit dem beweglichen Kegel gewährleistet wird.
Keilnuten und Ölnuten: Gefräst mit CNC-Maschinen mit Positionstoleranz (±0,05 mm) und Oberflächengüte Ra3,2 μm, wodurch Spannungskonzentrationen vermieden werden.
Schmierkanalbohrung:
Axiale und radiale Ölbohrungen (φ5–φ15 mm) werden mit CNC-Tieflochbohrmaschinen mit einer Positionsgenauigkeit (±0,2 mm) gebohrt, um einen ungehinderten Schmiermittelfluss zu gewährleisten. Die Bohrungsenden werden entgratet, um Störungen des Ölflusses zu vermeiden.
Ausgleich:
Die Welle wird auf einer Auswuchtmaschine bei 500–1000 U/min dynamisch ausgewuchtet, wobei die Restunwucht auf ≤5 g·mm/kg begrenzt wird, um Vibrationen und Lagerverschleiß zu reduzieren.
Oberflächenbehandlung:
Lagerzapfen werden auf Ra0,2 μm poliert, um die Reibung zu verringern und die Lagerlebensdauer zu verlängern.
Nicht tragende Oberflächen sind mit Rostschutzfarbe oder einer Zinkbeschichtung (5–8 μm) beschichtet, um Korrosion während der Lagerung und des Betriebs zu verhindern.
5. Qualitätskontrollprozesse
Werkstoff- und Schmiedeprüfung:
Die Analyse der chemischen Zusammensetzung (Spektrometrie) bestätigt die Einhaltung der 42CrMo-Standards (C 0,38–0,45 %, Cr 0,9–1,2 %, Mo 0,15–0,25 %).
Die Schmiedequalität wird mittels Ultraschallprüfung (UT) überprüft, um innere Defekte (z. B. Risse, Einschlüsse) mit Größengrenzen ≤φ2 mm zu erkennen.
Maßgenauigkeitsprüfungen:
Eine Koordinatenmessmaschine (KMG) überprüft alle kritischen Abmessungen: Zapfendurchmesser, Kegelwinkel, Keilnutpositionen und Öllochpositionen.
Rundheit und Geradheit der Welle werden mit einem Laserausrichtungsgerät mit einer Toleranz von ≤0,01 mm/m gemessen.
Prüfung mechanischer Eigenschaften:
Durch Härteprüfungen (Rockwell) wird sichergestellt, dass die Lagerzapfen einen HRC-Wert von 50–55 und der Kern einen HRC-Wert von 28–35 aufweisen.
Zugversuche an geschmiedeten Proben bestätigen eine Zugfestigkeit von ≥1080 MPa und eine Dehnung von ≥12 %.
Zerstörungsfreie Prüfung (NDT):
Durch die Magnetpulverprüfung (MPT) werden Oberflächenrisse in Keilnuten, Schultern und Zapfen erkannt, wobei jeder Defekt mit einer Länge von weniger als 0,2 mm aussortiert wird.
Bei der Wirbelstromprüfung werden gehärtete Zapfenoberflächen auf Defekte unterhalb der Oberfläche geprüft.
Funktionstests:
Rotationsprüfung: Die Welle wird in einer Prüfvorrichtung montiert und 2 Stunden lang mit Höchstgeschwindigkeit (1500 U/min) gedreht, wobei die Vibration überwacht wird, um Werte von ≤0,1 mm/s sicherzustellen.
Belastungsprüfung: Eine simulierte Axiallast (120 % der Nennlast) wird 1 Stunde lang angewendet. Die Kontrolle nach dem Test zeigt keine Verformung (z. B. Änderung der Rundheit des Zapfens ≤ 0,005 mm).
Durch diese Fertigungs- und Qualitätskontrollprozesse erreicht die Hauptwelle die Präzision, Stärke und Zuverlässigkeit, die für den Antrieb der Brechbewegung des Kegelbrechers erforderlich sind, und gewährleistet so einen effizienten und langfristigen Betrieb im Bergbau und bei der Verarbeitung von Zuschlagstoffen.
