蔡繼安

（陜西陜煤彬長(zhǎng)生產(chǎn)服務(wù)中心 陜西省咸陽市 713600）

論28JF減速機(jī)一軸頻繁斷裂原因及其修復(fù)方法

蔡繼安

（陜西陜煤彬長(zhǎng)生產(chǎn)服務(wù)中心 陜西省咸陽市 713600）

對(duì)大佛寺礦井下28減速機(jī)一軸頻繁斷裂原因分析，在軸產(chǎn)生萌生裂紋后到裂紋的擴(kuò)展，在到瞬間斷裂，整個(gè)過程的失效形式是不是到達(dá)正常的失效值后產(chǎn)生的斷裂。并且軸的對(duì)接，主要采用68減速機(jī)一軸的結(jié)構(gòu)形式改造28減速機(jī)一軸。

軸；斷裂；失效；強(qiáng)度；校核

1 軸類的幾種失效形式

我們最常見的軸類失效形式有：①彎曲；②失穩(wěn)，對(duì)于特別細(xì)長(zhǎng)的軸容易產(chǎn)生失穩(wěn)；③重心偏執(zhí)，空心軸比較常見；④扭曲；⑤斷裂，當(dāng)然也是必要嚴(yán)重得一種失效形式。為此我們將以減速機(jī)28JF軸的斷裂進(jìn)行分析及其修復(fù)方法進(jìn)行討論。

2 軸的斷裂位置及其端面情況分析

2.1 斷裂位置（如圖1）

圖1

2.2 斷面及其宏觀分析

圖2

清潔斷口后無銹跡無煤泥等雜質(zhì)，出現(xiàn)明顯的貝殼形狀花樣，屬于典型的疲勞斷裂，斷口可見疲勞裂紋區(qū)A區(qū)，裂紋擴(kuò)展區(qū)B區(qū)，瞬間斷裂區(qū)C區(qū)三個(gè)區(qū)域組成。

2.2.1 疲勞裂紋萌生區(qū)的宏觀特征分析

宏觀說疲勞源區(qū)一般位于軸的表面或者是亞表面的應(yīng)力集中處，由于疲勞源區(qū)的裂紋擴(kuò)展速度比較慢，經(jīng)過反復(fù)的受交變應(yīng)力的沖擊使疲勞裂紋慢慢擴(kuò)展，因此疲勞萌生區(qū)一般具有下面宏觀特征：①氧化或者腐蝕較重，顏色較深；②斷面平坦，細(xì)密有小顆粒面；③萌生區(qū)與擴(kuò)展區(qū)有明顯的界限區(qū)分；④在源區(qū)雖看不到疲勞弧線，但是有向外發(fā)射的疲勞弧線的中心。疲勞裂紋的萌生都是由局部塑性應(yīng)變集中所引起，最常見的有三種裂紋萌生方式，滑移帶開裂，晶界和孿晶界開裂，夾雜物或者第二相與基本的界面開裂，其中滑移帶開裂是最常見的裂紋萌生方式之一，也是三種方式中最基本的一種，塑性變形和形成滑移帶不但是滑移帶開裂的基礎(chǔ)也是其他萌生方式的先決條件。

2.2.2 裂紋的擴(kuò)展區(qū)的宏觀特征分析

裂紋的擴(kuò)展屬于疲勞失效的第二階段，裂紋的擴(kuò)展方向一般是沿著主軸的垂直方向擴(kuò)展，為單一的擴(kuò)展裂紋，在裂紋尺寸D，尺寸在0.01

2.2.3 臨界尺寸的計(jì)算

經(jīng)過查詢確認(rèn)軸的材質(zhì)是采用40Cr進(jìn)行調(diào)質(zhì)加工制成，40Cr材質(zhì)主要用于用于無沖擊，而載荷較大的機(jī)械行業(yè)的軸類。

圖3

臨界裂紋尺寸ac：有彈性的裂紋判斷依據(jù)。

Kmax：應(yīng)力強(qiáng)度因子（可根據(jù)材料能量因子進(jìn)行計(jì)算）。

f：一般裂紋尺寸的函數(shù)，中心存在裂紋寬板f=1，單邊存在裂紋寬板f=1.12，根據(jù)斷口可以判斷此裂紋屬于單邊裂紋寬板。

σmax：材料所能承受的最大徑向載荷，可根據(jù)材料力學(xué)分析查詢。

ac：軸類失效后裂紋的臨界尺寸。

JIC：根據(jù)材料力學(xué)性能查得當(dāng)材料40Cr斷裂所釋放的能量為39。

E：彈性模量，可查詢得，合金鋼彈性模量為206。

由以上得：

Kmax=90（代入（1））

可得：

ac≈52

由以上可知ac<110，屬于正常失效行為。

減速機(jī)一軸的產(chǎn)生裂紋萌生原因有很多，環(huán)境的影響，連軸器的不平衡因素，制作加工時(shí)的缺陷等一系列影響軸的裂紋萌生與裂紋的擴(kuò)展等，最終達(dá)到軸的斷裂失效。

3 28減速機(jī)一軸斷裂后的修補(bǔ)方法

根據(jù)軸的斷裂位置，無論在軸哪個(gè)部位進(jìn)行對(duì)接，整根的軸最終還是有接口，為此翻閱更多資料進(jìn)行查詢斷軸的對(duì)接方法，最終很不理想。對(duì)軸再次進(jìn)行詳細(xì)分析后，了解了許多關(guān)于軸的制作加工工藝，為此參照了礦用68JS減速機(jī)一軸結(jié)構(gòu)模式對(duì)礦用28JS減速結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，具體情況如下（軸的修補(bǔ)工藝）：

（1）斷軸如圖4，保用原有的螺旋錐齒輪，用軸心和錐齒輪的配合方法，將其軸心更換掉。

（2）用車床夾住φ140或者在φ150處，在利用中心架架在φ170處，在進(jìn)行找正，找正后進(jìn)行車孔，且孔與φ150同軸度保證在0.02mm內(nèi)，同時(shí)把臺(tái)階孔車成，具體情況如圖4。

圖4

（3）在用內(nèi)抓卡抓住另一端，車掉多余的φ170mm處，只剩下螺旋錐齒輪。

（4）用插床在螺旋錐齒輪內(nèi)孔插出鍵槽，如圖5。

圖5

（5）用φ180的45#鋼粗車出軸的毛胚尺寸。

（6）熱處理軸調(diào)質(zhì)HB220-250。

（7）精車到相應(yīng)尺寸，具體情況如圖6。

圖6

（8）最后在裝配，如圖7。

圖7

4 軸的強(qiáng)度校核計(jì)算

僅受扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度校核計(jì)算：

這種方法用于主要承受轉(zhuǎn)矩軸的強(qiáng)度計(jì)算，或在初步設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)時(shí)，估算最小軸頸。若主要承受轉(zhuǎn)矩的軸還受有不大的彎矩，則可以降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的辦法予以考慮。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：

式中：ζt——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；

T——軸所受的扭矩，N·mm；

Wt——軸的扭抗截面系數(shù)，mm3；

n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min；

P——軸的傳遞功率kW；

d——計(jì)算截面處的直徑，mm；

[ζt]——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。P=800kW d=100mm n=1484r/min

[ζt]=25-45MPa 查表得：

此時(shí)需要將軸調(diào)質(zhì)到一定的硬度，使其的[ζt]≥25.7 則滿足 ζt≤[ζt]。

在初步估算軸的直徑時(shí)，可以由上式得到軸的估算公式：

查表可得A=126-103。

滿足要求當(dāng)許用應(yīng)力[ζt]≥25.7↑A值越↓，軸頸↓?，F(xiàn)在根據(jù)A=103最小時(shí)計(jì)算出極限估算軸頸：

當(dāng)提高許用應(yīng)力[ζt]時(shí)A值越小則就是需要滿足800kW 1484轉(zhuǎn)速軸頸極限是φ83.5，當(dāng)提高許用應(yīng)力值[ζt]時(shí)，φ100的軸就能滿足要求。

5 結(jié)論

在一軸產(chǎn)生萌生裂紋后，隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，在達(dá)到臨界值ac后，產(chǎn)生的正常疲勞斷裂。

減速機(jī)在地面順利加載完成，下井后，一直對(duì)減速機(jī)的使用情況進(jìn)行跟蹤，反應(yīng)上來的信息都非常樂觀，運(yùn)行非常的平穩(wěn)沒有任何異常情況，待減速機(jī)使用2個(gè)月后返上地面后對(duì)軸再次進(jìn)行檢查檢測(cè)，情況非常良好，依然能夠正常使用。

根據(jù)軸的強(qiáng)度校核計(jì)算，計(jì)算出在有效載荷下，軸的最小有效面積，由于裂紋的萌生和裂紋的擴(kuò)展已經(jīng)產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以軸的有效面積計(jì)算需要將應(yīng)力集中考慮到強(qiáng)度校核計(jì)算。在裂紋大約達(dá)到一定數(shù)值，這時(shí)軸的有效面積已經(jīng)接近或者等于計(jì)算值，根據(jù)計(jì)算最小有效面積可以得到裂紋的臨界值，根據(jù)使用用途，40Cr調(diào)質(zhì)后，所以減速機(jī)一軸的最好材料是采用40Cr制作。下列計(jì)算根據(jù)40Cr算出裂紋臨界值。

[1]桂立豐，曹用濤.《機(jī)械工程材料測(cè)試手冊(cè)》.遼寧科技出版社，2002.

[2]成大先.《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》.化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

TH132.46

A

1004-7344（2016）17-0194-02

2016-6-1

蔡繼安（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事煤礦設(shè)備維修技術(shù)工作。