球磨機(jī)是水泥生產(chǎn)企業(yè)的主要生產(chǎn)設(shè)備，它的安全運(yùn)轉(zhuǎn)尤為重要。軸是球磨機(jī)的重要工作部件，它支持著其他回轉(zhuǎn)件并傳遞轉(zhuǎn)矩，軸性能的好壞直接影響著球磨機(jī)的整體性能，一旦軸出現(xiàn)故障，就會(huì)嚴(yán)重地影響水泥廠的正常生產(chǎn)。下面對(duì)某水泥廠使用的D1.8 mx7 m球磨機(jī)小齒輪軸的斷裂失效加以分析。
1、小齒輪軸的斷裂分析
該球磨機(jī)的傳動(dòng)示意見1。
小齒輪軸在2004年8月曾因軸與軸承松動(dòng)，即軸承跑內(nèi)圈，把軸磨損，對(duì)軸進(jìn)行過堆焊補(bǔ)修復(fù)，為什么補(bǔ)修后不到一年時(shí)間就斷裂失效，為了弄清小齒輪軸斷裂的原因，對(duì)軸的斷口進(jìn)行了金相組織、力學(xué)性能等分析。
1.1軸的斷口分析
軸的疲勞斷口宏觀特征示意見圖3。斷口為疲勞斷裂，裂紋呈放射狀，斷口呈暗灰色，軸1/5處的中心部位，斷口比較齊整，顏色較亮。由斷口形貌可確定斷裂源區(qū)在軸外圓環(huán)區(qū)內(nèi)，裂紋起源于焊接過渡圓角處，此處為應(yīng)力集中源，軸的心部為高速瞬斷區(qū)，瞬斷區(qū)的前部即為疲勞擴(kuò)展區(qū)，在該區(qū)有明顯看到的貝紋線。由斷口副的良好匹配性，宏觀塑性變形很小，說明脆性嚴(yán)重。
1.2軸的力學(xué)分析
由斷口分析，軸為疲勞斷裂，應(yīng)校核軸的疲勞強(qiáng)度。軸的力學(xué)模型見圖4，軸的載荷分布見圖5。
1.3軸的理化檢驗(yàn)與分析
為了進(jìn)一步分析軸斷裂的原因，還需進(jìn)行理化檢驗(yàn)和分析。在斷口上由軸外圓向里截取金相顯微試樣，在顯微鏡下觀察，在表層至里1.5—2 mm是一層枝晶狀鐵素體夾少量珠光體，它是焊條焊接后未經(jīng)過適當(dāng)熱處理的原始組織，其沖擊韌度值與設(shè)計(jì)規(guī)范值相差甚遠(yuǎn)，再向里有比較粗大的珠光體和鐵素體晶粒，它是由材料過熱所致，造成其機(jī)械性能下降，特別是沖擊韌性下降。按技術(shù)條件，該軸進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，金相組織應(yīng)為回火索氏體，但結(jié)果不符，說明熱處理工藝沒有達(dá)到技術(shù)要求，并且脆性?shī)A雜物超級(jí)，有疏松組織存在，這嚴(yán)重地降低了軸的疲勞強(qiáng)度。
1.4軸斷裂的原因
由以上分析與檢驗(yàn)，軸斷裂存在以下幾個(gè)原因：
1) 嚴(yán)重的應(yīng)力集中。軸頸D160處的軸肩過渡圓角過小（R角3.5 mm），軸在磨損后，進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)時(shí)，破壞了原有軸肩過渡“R”角的形狀，幾乎無過渡圓角，呈直角，此處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，在彎扭應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋，這是軸斷裂的主要原因。
2) 焊接殘余應(yīng)力大。通過對(duì)軸斷口的金相組織分析可知，軸的焊接部分未進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚附託堄鄳?yīng)力較大，導(dǎo)致軸抗交變應(yīng)力下降，一旦遇上振動(dòng)，極易產(chǎn)生裂紋。
3) 材質(zhì)的缺陷。由軸的理化檢驗(yàn)和分析可知，軸的材質(zhì)有疏松組織，夾雜物超級(jí)，堆焊修理后未能進(jìn)行適當(dāng)熱處理，未能改善組織和補(bǔ)償缺陷，從而軸的金相組織未能達(dá)到調(diào)質(zhì)處理的回火索氏體，使得沖擊韌度值過低，軸在交變載荷作用下，裂紋以很快的速度擴(kuò)展到心部，最后全部斷裂。
4) 軸與軸承配合間隙大。經(jīng)檢測(cè)，D160軸頸處加工偏差大，使得軸與軸承內(nèi)圈配合較松，造成軸與軸承內(nèi)圈相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即跑內(nèi)圈，從而引起軸承內(nèi)圈在軸上滑動(dòng)而使軸磨損，這也是導(dǎo)致軸磨損和斷裂的另一個(gè)主要因素。
5) 負(fù)荷過大。由齒輪軸的受力分析（圖4）可知，齒輪軸承受較大的彎矩和扭矩，彎矩在軸上產(chǎn)生正應(yīng)力，扭矩產(chǎn)生剪應(yīng)力，這些應(yīng)力在軸運(yùn)行中不斷變化，屬于對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力，同時(shí)還存在附加動(dòng)負(fù)荷，一旦遇到振動(dòng)、過載、突然啟動(dòng)和制動(dòng)及多次重負(fù)荷沖擊時(shí)，軸容易產(chǎn)生裂紋而斷裂。
2、防止軸斷裂的對(duì)策
針對(duì)上述軸斷裂的原因，提出防止斷裂的幾個(gè)對(duì)策。
1)加大過渡圓角，減小應(yīng)力集中。原齒輪軸徑從D160到D180，通過R3.5圓弧過渡，現(xiàn)采取適當(dāng)增大過渡圓角半徑，用R5圓弧過渡，這樣將應(yīng)力集中減小到最小，從而提高軸的疲勞強(qiáng)度。此外，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)軸磨損后就馬上進(jìn)行修復(fù)，在修復(fù)過程中要把好軸過渡“R”角的關(guān)．使得過渡圓角與設(shè)計(jì)圖紙相符。
2) 軸與軸承選擇合適的配合過盈。軸與軸承的配合不能太松也不能太緊，太松會(huì)引起軸承內(nèi)圈在軸上滑動(dòng)而使配合面磨損，配合過盈量太大，應(yīng)力集中也增加，對(duì)軸的疲勞強(qiáng)度降低也越嚴(yán)重。因此，合理地選擇軸與軸承內(nèi)圈配合的過盈量是很重要的，現(xiàn)由過去的m6配合改為p6配合。改后從未發(fā)現(xiàn)軸承跑內(nèi)圈。
3) 軸從加工到安裝要嚴(yán)格按圖紙要求，探傷檢查鍛造質(zhì)量，采用正確的調(diào)質(zhì)處理，以保證良好的
金相組織，為了提高軸頸的耐磨性，還應(yīng)對(duì)軸頸處進(jìn)行高頻表面淬火和低溫回火處理。
4) 規(guī)范操作，嚴(yán)禁球磨機(jī)過載和沖擊振動(dòng)，加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)，定期檢查齒輪和軸承的運(yùn)行狀況，一旦發(fā)現(xiàn)軸承跑內(nèi)圈，應(yīng)及時(shí)修復(fù)，可采用電刷鍍或堆焊補(bǔ)等方法修復(fù)。電刷鍍是一項(xiàng)修復(fù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械零件的好方法，在刷鍍過程中正確的工藝是確保鍍層質(zhì)量的重要手段。采用堆焊補(bǔ)對(duì)軸進(jìn)行修復(fù)時(shí)，除了要合理選擇焊接材料、工藝外，還要采用必要的熱處理工藝，嚴(yán)格控制焊前預(yù)熱和焊后回火溫度和時(shí)間，以達(dá)到均化組織，去除內(nèi)應(yīng)力的目的，然后進(jìn)行車、磨等機(jī)械加工，直到尺寸符合圖紙要求。
3、結(jié)語
經(jīng)以上措施改進(jìn)后的齒輪軸現(xiàn)已運(yùn)行近2a，運(yùn)行效果良好，未發(fā)生斷軸事故。實(shí)踐證實(shí)了齒輪軸斷裂原因的分析和采取相應(yīng)的措施是正確的。
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