陳建東

摘要:減速機(jī)的齒輪軸是機(jī)械設(shè)備中的常見設(shè)備,它本身設(shè)計的合理與否影響到整個設(shè)備的安全運(yùn)行。文章通過對軋鋼廠減速機(jī)齒輪軸斷裂分析,通過軸斷口的宏觀、微觀和力學(xué)分析,及軸的多項理化檢驗和分析,針對軸斷裂的原因機(jī)理提出了防止軸斷裂的對策,以保證軸必要的使用壽命。

關(guān)鍵詞:350軋機(jī);齒輪軸;軸斷裂;斷口分析

中圖分類號:TB303文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-2374(2009)24-0181-02

減速機(jī)的齒輪軸結(jié)構(gòu)是機(jī)械設(shè)備中常見的重要設(shè)備,它本身設(shè)計的合理與否影響到整個設(shè)備的安全運(yùn)行。減速機(jī)的齒輪軸是整個設(shè)備的重要部分,由于軸的形狀較為復(fù)雜,局部有鍵槽、軸肩等特殊形狀,這些部位會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,如果使用常規(guī)的方法,就很難準(zhǔn)確了解其應(yīng)力和應(yīng)變的規(guī)律。在過去,一般采用常規(guī)的力學(xué)方法對軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,不過這種傳統(tǒng)的方法是將實(shí)際結(jié)構(gòu)和所受的載荷,根據(jù)力學(xué)模型進(jìn)行合理的簡化后再進(jìn)行理論計算的,如果軸的結(jié)構(gòu)有變化復(fù)雜的部位,則這一部位的應(yīng)力、應(yīng)變分布等規(guī)律就不能被完全掌握。同時考慮局部較復(fù)雜部位,尋找其應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律,為該軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全工作提供詳實(shí)的理論依據(jù)。對于減速機(jī)齒輪軸齒輪從宏觀到微觀的一系列檢驗分析:斷口分析,力學(xué)分析,金相檢驗,化學(xué)檢驗和掃描電鏡觀察分析等,綜合該軸的斷裂史和該軸所在系統(tǒng)的相關(guān)情況,分析其斷裂的基本原因及改善措施。

一、軸的斷口分析

軸斷裂處行貌異常特殊,雖然疲勞斷裂,但其疲勞源卻始于表層下50mm處,分三區(qū)向外疲勞擴(kuò)展,最后心部瞬斷,瞬斷區(qū)有五個Φ45mm大的異常圓斑。經(jīng)強(qiáng)度校驗,安全系數(shù)大于5。其斷裂原因?qū)崒俨馁|(zhì)問題。經(jīng)檢驗其沖出韌性僅為23.3J/cm,其余合格;疲勞源區(qū)有大量Φ1mm長5～8mm的疏松空洞未能鍛合,成為疲勞之源;此外夾雜級別過高,多為4級;金相檢驗該軸表面組織尚有10%～20%鐵素體,未達(dá)到調(diào)質(zhì)要求;經(jīng)定氫測試,含氫量為12.5×10-6;這些都促使鋼材脆化。瞬間區(qū)為脆性解理河流花樣。

斷口為疲勞斷裂,斷口上50mm寬的外圈環(huán)形區(qū)為疲勞擴(kuò)展區(qū);Φ300mm以內(nèi)的區(qū)域為瞬間斷裂區(qū)。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,疲勞擴(kuò)展區(qū)由三處多源疲勞擴(kuò)展及與之相連接瞬斷區(qū)組成,在各疲勞擴(kuò)展區(qū)上均有可見的海灘狀紋線。斷口的斷裂過程是裂紋在源區(qū),即距軸外緣50mm內(nèi)圓處形成,向外擴(kuò)展至外緣;隨即發(fā)生心部Φ300mm以內(nèi)的高速瞬斷。在心部斷口,還分布著5個形狀相似的圓斑,各斑內(nèi)有一源(或在中心,或在邊緣),裂紋成放射花樣,大小約為Φ45mm,在瞬斷中,它們起著加速斷裂的作用。

在疲勞擴(kuò)展區(qū)的源區(qū)以及附近,直接切片取樣,用掃描電鏡進(jìn)行觀察疲勞源一部分,可見一傾斜輝紋,左上方為疲勞源,有明顯空洞和疏松,右下方為擴(kuò)展區(qū)。在源區(qū)可見疏松“黑洞”,微小疏松和大量二次裂紋。在心部瞬斷區(qū)呈現(xiàn)解理和準(zhǔn)解理結(jié)構(gòu),與脆性斷裂情形相符合。

二、軸的力學(xué)分析計算

由于軸為疲勞斷裂,所以我們僅對軸的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。疲勞強(qiáng)度校核擬按電機(jī)輸出最大扭矩和使安全螺栓破斷扭矩兩種情況進(jìn)行。

由電機(jī)功率2971kW和電機(jī)轉(zhuǎn)速247rpm,得出電機(jī)輸出扭矩T1=114860N·m。該軋機(jī)過載保護(hù)裝置為裝于輸出軸端齒輪聯(lián)軸器上的一組安全螺栓,3-Φ45柱銷均布于Φ1134圓周上,軋機(jī)運(yùn)行中該組柱銷時有剪斷,材料45*鋼,調(diào)質(zhì)、剪切強(qiáng)度限τb=320N/mm2,剪斷后的柱銷截面上,有大于5mm的塑變飛邊,瞬間區(qū)占銷截面的70%。由此得出小齒輪軸上傳遞扭矩T2=260000N·m?？梢奣2>T1。因電機(jī)與減速機(jī)間有J=177Tm2的飛輪,故產(chǎn)生這種短時超載是可能的;考慮軋機(jī)的工況和銷的破斷頻率較高,偏于危險以T2作為軸所受外載進(jìn)行計算。

對于齒輪聯(lián)軸器,考慮軸端產(chǎn)生轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的附加彎矩,按《機(jī)械零件設(shè)計手冊》取Mf=0.1T。方向與齒輪載荷產(chǎn)生彎矩方向一致時為軸的危險狀態(tài)。軸上所裝齒輪自重G=6100kg。

按以上載荷考慮軸材料熱處理等影響疲勞強(qiáng)度的因素,按兩種情況進(jìn)行運(yùn)算得安全系數(shù)n,數(shù)據(jù)和結(jié)果按電機(jī)功率:彎矩M=31120N·m、扭矩T=114860N·m、正應(yīng)力σ=4.9N/mm2、剪應(yīng)力τ=9.14N/mm2、安全系數(shù)n=14;按柱銷剪斷:彎矩M=64950N·m、扭矩T=260000N·m、正應(yīng)力σ=10.33N/mm2、剪應(yīng)力τ=20.7、安全系數(shù)n=7。可見常規(guī)疲勞強(qiáng)度校核軸疲勞強(qiáng)度足夠,造成該軸疲勞斷裂屬于軸的材質(zhì)問題。

三、軸的理化檢驗和分析

通過斷口的宏觀和微觀分析,確定了軸的斷裂源和斷裂過程。為了進(jìn)一步分析軸的斷裂原因,我們進(jìn)行以下理化檢驗和分析:

1.金相分析。在斷口上,自軸緣至軸心取出3塊試樣,做夾雜物成分、形狀及評級和金相組織的檢驗。夾雜物評級結(jié)果:試樣2、3中的脆性夾雜物超級,按YB25-77夾雜物允許最大級別為3級,試樣2中脆性夾雜物為4級,嚴(yán)重超級,其位置與疲勞源位置一致。脆性夾雜物的大量存在,對軸的抗疲勞能力有很不利的影響。斷口處金相組織從表面到心部基本上為鐵素體+珠光體,鐵素體占10%～20%。按技術(shù)條件,該軸為調(diào)質(zhì),金相組織應(yīng)為回火索氏體。結(jié)果與技術(shù)條件不符,說明熱處理沒達(dá)到要求。

2.低倍檢驗。軸上橫截取試片,磨光經(jīng)酸蝕后,觀察其上有許多分散分布的疏松,疏松大小Φ1mm,長5～8mm,在半徑3/4處較為密集,形成寬約50mm的圓環(huán)形疏松密集帶。疏松帶與疲勞源區(qū)的位置正好一致,與源區(qū)電子顯微鏡觀察到的大量疏松相對應(yīng),可以判定疏松是引起和導(dǎo)致疲勞斷裂的主要原因。

3.含氫量檢驗。做含氫量檢驗,圓斑處檢驗含氫量13.4×10-6,非圓斑處含氫量為11.7×10-6,結(jié)果表明,材料中含氫量較高,它能引起鋼的脆性,使之過早地失效。

除進(jìn)行了上述檢驗以外,還做了化學(xué)成分檢驗,各種化學(xué)成分含量均在規(guī)范之中,故略去其檢驗結(jié)果。

四、軸斷裂的原因,機(jī)理與預(yù)防軸斷裂的對策

通過以上對軸斷口的宏觀和微觀分析、軸的力學(xué)分析,和軸的多項理化檢驗和分析,可以對軸斷裂的原因,機(jī)理做如下論述。

疲勞源的形成和疲勞裂紋的擴(kuò)展。低倍檢查軸的3/4半徑處,寬為50mm的疏松密集帶,與顯微觀察到疏松和大量二次裂紋為同一部位,并與沖擊韌性αk值很低和夾雜物嚴(yán)量超級相對應(yīng),說明該材料有毛坯缺陷——疏松和夾雜物。在力學(xué)上,軸受彎矩和扭轉(zhuǎn)作用,外表面計算工作應(yīng)力為最大(Φ400mm處),常規(guī)下,裂紋源應(yīng)首先起于外表面。但實(shí)際上,由于Φ300處有大量疏松和夾雜,微觀上這些疏松和夾雜的尖端產(chǎn)生奇異的三向拉伸應(yīng)力(即應(yīng)力集中),這種奇異的應(yīng)力值大大超過計算工作應(yīng)力,超過外表面處的應(yīng)力。當(dāng)超過該處裂紋擴(kuò)展門檻應(yīng)力值時,裂紋擴(kuò)展,由于應(yīng)力增大的方向為軸心指向外緣,裂紋按應(yīng)力增大的方向向軸緣擴(kuò)展。在彎曲應(yīng)力的對稱循環(huán)和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的脈動循環(huán)作用下,裂紋擴(kuò)展成間斷、斷續(xù)型,微觀上留下輝紋跡象;停車卸載、起動和大的載荷波動在斷口上留下相應(yīng)的海灘狀紋線。

可以判定,該軸屬于隨機(jī)疲勞斷裂。由力學(xué)分析計算,該軸原設(shè)計為無限壽命設(shè)計,安全系數(shù)足夠大(n≥7),還有軸斷裂時聯(lián)軸器上安全銷完好,均為這一結(jié)論提供了佐證。

軸斷裂的主要原因是鑄造疏松和夾雜。其它原因為鍛造不力和熱處理未達(dá)到調(diào)質(zhì)要求,未能改善組織和補(bǔ)償缺陷。

針對上述軸斷裂的原因,提出防止軸斷裂的對策,建議軸材料由40Cr改用35CrMo鍛鋼,鍛造比必須保證大于3,探傷采用正確的調(diào)質(zhì)處理,保證良好的金相組織,以期達(dá)到15年以上的使用壽命。

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