李樹林

（玉溪礦業(yè)有限公司，云南 玉溪 653100）

1 軸類零件的作用及要求

軸是各類機械中的重要零件，它的作用是支持回轉(zhuǎn)零件（比如齒輪、帶輪等），使回轉(zhuǎn)零件具有確定的工作位置，并傳遞運動和扭矩。

按軸線分，可將軸分為直軸、曲軸、撓線鋼絲軸。一般按作用的不同，軸又分為軸頭、軸頸、軸身。軸類零件一般都要進行下料、鍛造、粗加工、熱處理、精加工（熱處理、精加工），礦山的軸類零件主要進行下料、粗加工、熱處理、精加工。

一般情況下，軸必須具有足夠的強度、合理的加工性和良好的工藝性，同時根據(jù)不同的使用要求還要有足夠的剛度。軸和裝在軸上的零件應(yīng)有準(zhǔn)確的同向性和軸向定位，且軸上零件便于拆卸和調(diào)整，以及軸向力合理，有利于節(jié)約材料和成本，同時應(yīng)避免應(yīng)力集中造成對軸的破壞。

2 軸類材料的發(fā)展

軸類材料的發(fā)展，首先是用木材制軸，后用銅或鐵制軸。隨著冶煉技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了碳鋼、合金鋼、合金鑄鐵、球墨鑄鐵，后又有塑料軸、復(fù)合材料軸等。

目前，軸類零件的材料主要是碳素鋼和合金鋼，隨著科技的發(fā)展，一些高強度的塑性材料和復(fù)合材料逐步代替部分軸類零件，一些合金鑄鐵、球墨鑄鐵所制成的外形復(fù)雜的軸（比如曲軸、空心軸、凸輪軸等）已應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)之中。

合金鋼的發(fā)展極大地豐富了軸類材料，最常用的材料是40Cr、45#鋼。另外，低合金鋼，比如37SiMn2MoV等也在大型設(shè)備軸類上廣泛應(yīng)用，比如大紅山銅礦PXZ-900/130-A旋回破碎機就使用了37SiMn2MoV作為主軸的材料。一般情況下，只有在傳遞大動力并要求減輕質(zhì)量和減少尺寸或需要提高軸頸（用滑動軸承時）耐磨性，或處于非常溫（高溫或低溫）、腐蝕條件下應(yīng)用合金鋼制軸。一般碳素鋼比合金鋼價格低，

對應(yīng)力集中的敏感性也低，同時還能通過熱處理和化學(xué)處理的辦法提高其耐磨和抗疲勞強度，因此應(yīng)用最為廣泛。

3 軸類零件失效的形式及修復(fù)方法

3.1 磨損失效

相互運動的表面都存在著磨損，磨損是表面相互磨擦的結(jié)果。根據(jù)宏觀磨擦學(xué)理論，磨擦系數(shù)f的計算式為：

從式（1）可以看出，任何軸的表面（即使是經(jīng)過精密加工的表面）都是凸凹不平的，這種表面利于形成潤滑油膜，但同時又易于磨損，導(dǎo)致失效。此類情況在礦山較為常見，比如球磨機小齒輪軸的磨損、空壓機曲軸的磨損、礦車軸的磨損等。

3.2 斷裂（折斷）

軸的斷裂常造成其他部位的損壞，導(dǎo)致其他部件失效。斷裂分為疲勞斷裂、過負(fù)荷斷裂、應(yīng)力集中斷裂和破壞性折斷4種形式。大紅山礦6#皮帶機減速機高速軸的斷裂及PXZ-900/130-A旋回破碎機主軸的斷裂就屬于應(yīng)力集中造成的斷裂，常見的修復(fù)方法有焊接、用鍵和銷接軸、黏結(jié)等。

3.3 其他失效形式

其他失效形式有腐蝕、變形，在礦山生產(chǎn)中這兩種也較常見，比如豎井的搖臺、隔篩、梯子間、罐籠、罐道繩、尾繩、平衡繩等。對于軸類失效的處理方法一般有去除材料處理和不去除材料處理方法，這兩種方法都較為常用。另外，其他主要方法有堆焊、鑲套、修補劑修復(fù)、涂鍍、刷鍍、使用填充劑等。

4 軸類零件失效后修復(fù)的應(yīng)用

大紅山銅礦DCY-50-IIS皮帶機（6#）減速器高速軸斷裂，造成選礦系統(tǒng)中斷。由于此類傳動方式為垂直傳動，斷裂的高速軸為圓錐弧齒輪軸，無備件，省內(nèi)任何一個廠家都無法生產(chǎn)，若到原廠家（沈陽重型機械廠）加工，然后運到大紅山銅礦，需用一個月的時間，整個選廠面臨長時間停產(chǎn)，每天損失銅精礦50 t和鐵精礦1 500 t，按照市場銅價48 000元/t和鐵精礦580元/t計算，一個月銅精礦的經(jīng)濟損失7 200萬元，鐵精礦的經(jīng)濟損失2 610萬元，經(jīng)濟損失不可估量，因而必須及時研究和制訂處理方案。

4.1 軸的結(jié)構(gòu)及斷裂部位

注：A-A為斷裂面，圓錐弧齒輪齒數(shù)16，模數(shù)5，相配合的齒輪齒數(shù)51齒。

減速機銘牌標(biāo)注：裝配方式2S，中心距400，速比50，質(zhì)量2 022 kg，出廠日期1995-06.

電機銘牌標(biāo)注：型號Y315S-6，功率75 kW，電壓380 V，轉(zhuǎn)速990 r/min，頻率50 Hz，出廠日期1996-01.

4.2 斷裂原因分析

斷軸的原因：①軸承部位磨損后對該軸進行了堆焊處理（采用T422焊條），形成應(yīng)力集中；②在安裝過程中，電機地腳螺栓未緊固，造成該軸折斷。具體如圖1所示，A-A斷面既是斷裂處，又是堆焊部位。

圖1 斷裂部位圖

4.3 修復(fù)方法

經(jīng)過對該軸研究分析，決定采用焊接、過硬配合與直銷連接的方式進行處理，如圖2所示。

圖2 焊接及銷軸連接方式

4.4 修復(fù)后的強度計算

由圖2可知，上述修復(fù)方法均采用了電焊聯(lián)結(jié)、銷子聯(lián)結(jié)、過盈聯(lián)結(jié)，通過這3種聯(lián)結(jié)來傳遞扭矩，我們只要校核其中的一種滿足要求即可。

4.4.1 受轉(zhuǎn)矩作用下填角焊縫強度計算

參照：《機械零件設(shè)計手冊》第二版上冊P311，冶金工業(yè)出版社。其中，轉(zhuǎn)矩T＝9.55×106×P/n＝9.55×106×75/990＝723 500 N·mm。

上式中：R為軸半徑，取32.5 mm；K為焊縫長度，取10 mm；P為電機功率，取75 kW；n為電機轉(zhuǎn)速，取990 r/min。

則：TP＝615 N/mm2＝615 MPa，TP′＝0.6σS/S.

45#鋼屬中碳鋼，查表得：σS＝274 MPa，S＝2.2，則：TP′＝75 MPa。

結(jié)果表明：TP≥TP′，焊縫傳遞轉(zhuǎn)矩不能滿足要求。

計算表明：單一的焊接處理不能滿足傳遞轉(zhuǎn)矩的需要，這就是斷軸的原因。

4.4.2 銷聯(lián)結(jié)傳遞扭矩的剪切強度計算

參照：《機械零件設(shè)計手冊》第二版上冊P311，冶金工業(yè)出版社。

式（3）中：T為轉(zhuǎn)矩，T＝9.55×106×P/n＝9.55×106×75/990＝723 500 N·mm；d為銷子直徑（Φ16 mm）；D為穿過軸的直徑（Φ65 mm）。

則：T＝55.4 N/mm2＝55.4 MPa。

45#鋼屬中碳鋼，查表得：T＝80 MPa。

結(jié)果表明：T≤TP，銷聯(lián)結(jié)傳遞扭矩能滿足要求。

4.4.3 過盈量傳遞轉(zhuǎn)矩的最小過盈量計算

參照：《機械零件設(shè)計手冊》第二版上冊P279，冶金工業(yè)出版社。

其中，Pmin＝2T/πfd2L.

上式中：T為轉(zhuǎn)矩，T＝9.55×106×P/n＝9.55×106×75/990＝723 500 N·mm；f為磨擦系數(shù)，取0.1；d為配合軸的直徑，取65 mm；L為過盈量配合的長度，取150 mm。

由于銷聯(lián)結(jié)、電焊聯(lián)結(jié)較短處的過盈配合長度只有60 mm，則L取60 mm也較為合理。

Pmin＝18.2 MPa，經(jīng)查表，彈性模量E1＝E＝2.0×1011.c1＝0.7，c2＝5.473（按d/d2＝65/80＝0.812 5 計算得），則：δmin＝1.82×107×0.065×6.173/（2.0×1011）＝0.036 5 mm。

實際過盈量為0.29 mm。

結(jié)果表明：過盈量傳遞轉(zhuǎn)矩的最小過盈量能滿足要求。

若按Pminx2＝ασS2計算，其中α＝0.183 3，σS2＝294 MPa，

則：Pminx2＝53.809 2 MPa。

δminx2＝Pminx2d（c1/E1＋c2/E2）＝53.809 2×106×0.065×6.173/（2.0×1011）＝0.11.

實際過盈量為0.29 mm。

結(jié)果表明：過盈量傳遞轉(zhuǎn)矩的最小過盈量能滿足要求。

5 結(jié)論

本次修復(fù)時間只用了20 h，修復(fù)費用3 600元。試車后，設(shè)備運行狀況平穩(wěn)，現(xiàn)已安全運行6年多，修復(fù)部位尚未發(fā)現(xiàn)有異常情況，說明修復(fù)是成功的。實踐證明，通過對該傳動軸的修復(fù)，既滿足了設(shè)備的安全運行要求，又降低了選廠長周期停產(chǎn)風(fēng)險，使經(jīng)濟損失降低到最小。因此，探索和研究軸類零件的修復(fù)方式，可以最大限度地獲得經(jīng)濟效益。

［1］張友誠.現(xiàn)代設(shè)備綜合管理［M］.北京：奧林匹克出版社，2003.

［2］陳后宋.現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備管理［M］.杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

［3］李德源，楊華龍.現(xiàn)代設(shè)備經(jīng)濟管理［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［4］成大先.機械零件設(shè)計手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1979.