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DP-340皮帶輸送機(jī)滾筒軸頸斷裂的原因分析
2013-08-02
毛繼新
（太原西峪煤礦，山西太原 030021）
（太原西峪煤礦，山西太原 030021）
摘 要：從使用工況、載荷、材料及熱處理等方面分析DP-340皮帶機(jī)滾筒軸頸斷裂的原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。
關(guān)鍵詞：滾筒軸頸；斷裂；載荷；應(yīng)力集中；疲勞強(qiáng)度；熱影響區(qū)
DP-340皮帶輸送機(jī)因其運(yùn)量大、易于安裝、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于煤礦井下。近年來，西峪煤礦井下大量使用DP-340皮帶輸送機(jī)，但由于井下巷道起伏多變，煤量不均勻等因素的影響，使輸送機(jī)的工況十分復(fù)雜。2004年4月至12月間，該礦四采區(qū)主下山3部皮帶機(jī)頻繁發(fā)生多起從動(dòng)滾筒軸頸斷裂事故，斷裂部位都發(fā)生在安裝齒輪一側(cè)d80mm到d90mm的軸肩處。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并結(jié)合斷軸的斷裂面情況，筆者僅對(duì)滾筒軸的斷裂原因分析如下。
1 載荷分析
DP-340皮帶輸送機(jī)是由電動(dòng)機(jī)通過減速器帶動(dòng)主動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，由一對(duì)同步齒輪的嚙合實(shí)現(xiàn)主、從動(dòng)滾筒的共同轉(zhuǎn)動(dòng)，利用輸送帶與滾筒表面之間的靜摩擦來完成輸送帶的載物運(yùn)輸，其工作原理如圖1所示。
關(guān)鍵詞：滾筒軸頸；斷裂；載荷；應(yīng)力集中；疲勞強(qiáng)度；熱影響區(qū)
DP-340皮帶輸送機(jī)因其運(yùn)量大、易于安裝、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于煤礦井下。近年來，西峪煤礦井下大量使用DP-340皮帶輸送機(jī)，但由于井下巷道起伏多變，煤量不均勻等因素的影響，使輸送機(jī)的工況十分復(fù)雜。2004年4月至12月間，該礦四采區(qū)主下山3部皮帶機(jī)頻繁發(fā)生多起從動(dòng)滾筒軸頸斷裂事故，斷裂部位都發(fā)生在安裝齒輪一側(cè)d80mm到d90mm的軸肩處。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并結(jié)合斷軸的斷裂面情況，筆者僅對(duì)滾筒軸的斷裂原因分析如下。
1 載荷分析
DP-340皮帶輸送機(jī)是由電動(dòng)機(jī)通過減速器帶動(dòng)主動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，由一對(duì)同步齒輪的嚙合實(shí)現(xiàn)主、從動(dòng)滾筒的共同轉(zhuǎn)動(dòng)，利用輸送帶與滾筒表面之間的靜摩擦來完成輸送帶的載物運(yùn)輸，其工作原理如圖1所示。
工作時(shí)，由于巷道起伏多變，輸送機(jī)的載荷隨坡度的變化而變化，同時(shí)，在井下實(shí)際生產(chǎn)中，煤量的大小也隨采煤工作面條件的變化而變化，這樣就造成輸送機(jī)的負(fù)載復(fù)雜多變，滾筒軸受到的力矩載荷也在不斷地發(fā)生變化，特別是在重負(fù)荷時(shí)緊急停車、輸送機(jī)倒轉(zhuǎn)時(shí)被逆止器逆止、重負(fù)荷時(shí)強(qiáng)行啟動(dòng)這三種惡劣工況下，滾筒軸要承受的扭矩Z大，且具有沖擊性，如果這種惡劣工況頻繁和長(zhǎng)期存在，則滾筒軸必然要承受巨大的反復(fù)交變的沖擊載荷，在這種反復(fù)交變的沖擊載荷的作用下，軸很容易失效。
我們經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在該礦四采區(qū)主下山，共鋪設(shè)8部皮帶輸送機(jī)，運(yùn)輸線長(zhǎng)，頻繁發(fā)生斷軸的3部皮帶輸送機(jī)所在位置的坡度變化Z大，該采區(qū)布置1個(gè)機(jī)采工作面，2個(gè)炮采工作面，采煤量大，使皮帶輸送機(jī)的載荷加大；同時(shí)，由于8部皮帶輸送機(jī)相互連鎖，只要前面任何一部皮帶輸送機(jī)停車，后面的所有皮帶輸送機(jī)就全部自動(dòng)停車，這必然造成所有皮帶輸送機(jī)在重負(fù)荷下的頻繁啟動(dòng)或停止。綜合上述分析，筆者認(rèn)為煤量大、坡度大、長(zhǎng)期超載、頻繁的重負(fù)荷啟動(dòng)和停車是造成滾筒軸頸斷裂的主要原因。
安裝時(shí)，主動(dòng)滾筒和從動(dòng)滾筒的中心線必須保證互相平行，否則，滾筒軸要承受徑向的剪切應(yīng)力，平行度誤差越大，滾筒軸受到的剪切應(yīng)力越大。
我們對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的輸送機(jī)機(jī)頭主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主動(dòng)滾筒與從動(dòng)滾筒中心軸線的平行度誤差為3.6%，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了皮帶機(jī)安裝的技術(shù)要求，滾筒軸必然要承受很大的剪切力，在這種情況下，軸很容易發(fā)生彎曲或斷裂?？梢姡惭b時(shí)造成的軸的不平行是滾筒軸發(fā)生斷裂的重要原因。
2 斷軸的斷裂面分析
由斷軸的斷口可見：斷裂面有截然不同的兩個(gè)區(qū)域，即疲勞斷裂區(qū)和瞬斷區(qū)。從斷口斷面看，斷口上疲勞區(qū)有明顯的疲勞條紋，說明軸的破壞屬于疲勞破壞，瞬斷區(qū)所占比例大約為50%，可以認(rèn)為，在工作過程中，軸的過載程度比較大；從疲勞區(qū)看，磨得比較粗糙，說明疲勞裂紋產(chǎn)生后，因過載程度太大，裂紋的擴(kuò)展速度較快，疲勞裂紋擴(kuò)展期在總壽命中所占的比例較小，兩斷面還未發(fā)生摩擦就進(jìn)入瞬斷期；從瞬斷區(qū)看，斷口為纖維狀，說明Z后斷裂屬于韌性斷裂。所以，從斷口的形貌分析可以判斷，軸的斷裂是屬于應(yīng)力集中引起的多源疲勞斷裂。另外，根據(jù)對(duì)斷軸的結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)d80mm-90mm的軸肩過渡處，圓角半徑R較小，只有2mm-3mm，應(yīng)力集中較大，這也是引起軸早期斷裂的重要原因之一。
3 鋼材成分和熱處理分析
為弄清短軸的材質(zhì)和熱處理狀態(tài)，我們對(duì)所有斷軸取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果為：C0.39%、Si0.24%、Mn0.63%、P0.014%、S0.015%，屬于35#或40#鋼，測(cè)得表面硬度為HB170左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到技術(shù)要求的HB240-280，材料的淬透性差，另外，由于軸的鍵槽部位經(jīng)過中頻淬火處理，若操作不當(dāng)，距鍵槽末端不遠(yuǎn)處的軸肩，很可能處于中頻淬火的熱影響區(qū)，熱影響區(qū)不利的殘余應(yīng)力與d80mm-d90mm的軸肩過渡處的應(yīng)力集中迭加，更容易造成軸的早期疲勞開裂。
根據(jù)皮帶輸送機(jī)滾筒軸的使用條件和技術(shù)要求，結(jié)合有關(guān)資料介紹，軸應(yīng)選用淬透性較好的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，比如38CrMnMo、35CrSiMnMo等，它們的淬透性都比較好，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后強(qiáng)韌結(jié)合較好，為進(jìn)一步提高疲勞強(qiáng)度，熱處理后的硬度還可提高到HB300左右。為緩和軸肩過渡處的應(yīng)力集中，應(yīng)適當(dāng)加大圓角半徑，提高機(jī)加工質(zhì)量。鍵槽部位中頻淬火操作時(shí)應(yīng)注意避免熱影響區(qū)到達(dá)軸肩過渡處。如果采用局部表面滾壓強(qiáng)化來提高這一區(qū)域的疲勞強(qiáng)度，可以在圓角過渡處形成有利于疲勞強(qiáng)度的表面殘余壓應(yīng)力。
4 結(jié)語
通過以上分析，可以得出以下結(jié)論：
?。?）皮帶輸送機(jī)所處的位置坡度大，煤量大，頻繁的重負(fù)荷停車或啟動(dòng)，使軸承受較大的反復(fù)交變的沖擊載荷，過早地發(fā)生疲勞破壞，建議在坡度大的位置使用皮帶輸送機(jī)時(shí)，盡量縮短皮帶輸送機(jī)的長(zhǎng)度，并且適當(dāng)控制煤量，加強(qiáng)皮帶輸送機(jī)的管理，避免頻繁啟動(dòng)停車，尤其是重負(fù)荷停車或啟動(dòng)。
（2）安裝質(zhì)量差，滾筒軸中心線不平行，使?jié)L筒軸承受很大的剪切力，造成軸端彎曲或斷裂。建議提高安裝質(zhì)量，縮小滾筒軸的不平行度。
（3）滾筒軸的材質(zhì)差，熱處理后達(dá)不到設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，強(qiáng)度低，使軸發(fā)生早期的疲勞斷裂，建議選用淬透性較好的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，如38CrMnMo或35CrSiMnMo等，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理來制造此軸。
?。?）d80mm-d90mm軸肩過渡處，圓角半徑太小，只有2mm-3mm，造成軸肩過渡處應(yīng)力集中較高，這是軸出現(xiàn)早期斷裂的一個(gè)主要原因。建議提高機(jī)加工質(zhì)量，適當(dāng)加大圓角半徑，并采用局部表面滾壓強(qiáng)化的方法，使疲勞壽命得到提高。
（5）熱處理質(zhì)量差，軸的鍵槽部位需經(jīng)過中頻淬火處理，淬火時(shí)操作不當(dāng)，使軸頸變化的過渡處處于中頻淬火的熱影響區(qū)內(nèi)，熱影響區(qū)不利的殘余應(yīng)力與軸的幾何形狀突變處的應(yīng)力集中迭加，是造成軸早期疲勞斷裂的原因之一。建議提高熱處理質(zhì)量，避免軸頸變化的過渡處處在熱處理的熱影響區(qū)內(nèi)。
我們經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在該礦四采區(qū)主下山，共鋪設(shè)8部皮帶輸送機(jī)，運(yùn)輸線長(zhǎng)，頻繁發(fā)生斷軸的3部皮帶輸送機(jī)所在位置的坡度變化Z大，該采區(qū)布置1個(gè)機(jī)采工作面，2個(gè)炮采工作面，采煤量大，使皮帶輸送機(jī)的載荷加大；同時(shí)，由于8部皮帶輸送機(jī)相互連鎖，只要前面任何一部皮帶輸送機(jī)停車，后面的所有皮帶輸送機(jī)就全部自動(dòng)停車，這必然造成所有皮帶輸送機(jī)在重負(fù)荷下的頻繁啟動(dòng)或停止。綜合上述分析，筆者認(rèn)為煤量大、坡度大、長(zhǎng)期超載、頻繁的重負(fù)荷啟動(dòng)和停車是造成滾筒軸頸斷裂的主要原因。
安裝時(shí)，主動(dòng)滾筒和從動(dòng)滾筒的中心線必須保證互相平行，否則，滾筒軸要承受徑向的剪切應(yīng)力，平行度誤差越大，滾筒軸受到的剪切應(yīng)力越大。
我們對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的輸送機(jī)機(jī)頭主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主動(dòng)滾筒與從動(dòng)滾筒中心軸線的平行度誤差為3.6%，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了皮帶機(jī)安裝的技術(shù)要求，滾筒軸必然要承受很大的剪切力，在這種情況下，軸很容易發(fā)生彎曲或斷裂?？梢姡惭b時(shí)造成的軸的不平行是滾筒軸發(fā)生斷裂的重要原因。
2 斷軸的斷裂面分析
由斷軸的斷口可見：斷裂面有截然不同的兩個(gè)區(qū)域，即疲勞斷裂區(qū)和瞬斷區(qū)。從斷口斷面看，斷口上疲勞區(qū)有明顯的疲勞條紋，說明軸的破壞屬于疲勞破壞，瞬斷區(qū)所占比例大約為50%，可以認(rèn)為，在工作過程中，軸的過載程度比較大；從疲勞區(qū)看，磨得比較粗糙，說明疲勞裂紋產(chǎn)生后，因過載程度太大，裂紋的擴(kuò)展速度較快，疲勞裂紋擴(kuò)展期在總壽命中所占的比例較小，兩斷面還未發(fā)生摩擦就進(jìn)入瞬斷期；從瞬斷區(qū)看，斷口為纖維狀，說明Z后斷裂屬于韌性斷裂。所以，從斷口的形貌分析可以判斷，軸的斷裂是屬于應(yīng)力集中引起的多源疲勞斷裂。另外，根據(jù)對(duì)斷軸的結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)d80mm-90mm的軸肩過渡處，圓角半徑R較小，只有2mm-3mm，應(yīng)力集中較大，這也是引起軸早期斷裂的重要原因之一。
3 鋼材成分和熱處理分析
為弄清短軸的材質(zhì)和熱處理狀態(tài)，我們對(duì)所有斷軸取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果為：C0.39%、Si0.24%、Mn0.63%、P0.014%、S0.015%，屬于35#或40#鋼，測(cè)得表面硬度為HB170左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到技術(shù)要求的HB240-280，材料的淬透性差，另外，由于軸的鍵槽部位經(jīng)過中頻淬火處理，若操作不當(dāng)，距鍵槽末端不遠(yuǎn)處的軸肩，很可能處于中頻淬火的熱影響區(qū)，熱影響區(qū)不利的殘余應(yīng)力與d80mm-d90mm的軸肩過渡處的應(yīng)力集中迭加，更容易造成軸的早期疲勞開裂。
根據(jù)皮帶輸送機(jī)滾筒軸的使用條件和技術(shù)要求，結(jié)合有關(guān)資料介紹，軸應(yīng)選用淬透性較好的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，比如38CrMnMo、35CrSiMnMo等，它們的淬透性都比較好，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后強(qiáng)韌結(jié)合較好，為進(jìn)一步提高疲勞強(qiáng)度，熱處理后的硬度還可提高到HB300左右。為緩和軸肩過渡處的應(yīng)力集中，應(yīng)適當(dāng)加大圓角半徑，提高機(jī)加工質(zhì)量。鍵槽部位中頻淬火操作時(shí)應(yīng)注意避免熱影響區(qū)到達(dá)軸肩過渡處。如果采用局部表面滾壓強(qiáng)化來提高這一區(qū)域的疲勞強(qiáng)度，可以在圓角過渡處形成有利于疲勞強(qiáng)度的表面殘余壓應(yīng)力。
4 結(jié)語
通過以上分析，可以得出以下結(jié)論：
?。?）皮帶輸送機(jī)所處的位置坡度大，煤量大，頻繁的重負(fù)荷停車或啟動(dòng)，使軸承受較大的反復(fù)交變的沖擊載荷，過早地發(fā)生疲勞破壞，建議在坡度大的位置使用皮帶輸送機(jī)時(shí)，盡量縮短皮帶輸送機(jī)的長(zhǎng)度，并且適當(dāng)控制煤量，加強(qiáng)皮帶輸送機(jī)的管理，避免頻繁啟動(dòng)停車，尤其是重負(fù)荷停車或啟動(dòng)。
（2）安裝質(zhì)量差，滾筒軸中心線不平行，使?jié)L筒軸承受很大的剪切力，造成軸端彎曲或斷裂。建議提高安裝質(zhì)量，縮小滾筒軸的不平行度。
（3）滾筒軸的材質(zhì)差，熱處理后達(dá)不到設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，強(qiáng)度低，使軸發(fā)生早期的疲勞斷裂，建議選用淬透性較好的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，如38CrMnMo或35CrSiMnMo等，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理來制造此軸。
?。?）d80mm-d90mm軸肩過渡處，圓角半徑太小，只有2mm-3mm，造成軸肩過渡處應(yīng)力集中較高，這是軸出現(xiàn)早期斷裂的一個(gè)主要原因。建議提高機(jī)加工質(zhì)量，適當(dāng)加大圓角半徑，并采用局部表面滾壓強(qiáng)化的方法，使疲勞壽命得到提高。
（5）熱處理質(zhì)量差，軸的鍵槽部位需經(jīng)過中頻淬火處理，淬火時(shí)操作不當(dāng)，使軸頸變化的過渡處處于中頻淬火的熱影響區(qū)內(nèi)，熱影響區(qū)不利的殘余應(yīng)力與軸的幾何形狀突變處的應(yīng)力集中迭加，是造成軸早期疲勞斷裂的原因之一。建議提高熱處理質(zhì)量，避免軸頸變化的過渡處處在熱處理的熱影響區(qū)內(nèi)。
來源：《科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)》2005年第15卷第18期
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