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1、使用#维修 文章编号: 1003 -0794(2003) 01 -0078 -03 带式输送机滚筒轴的失效分析及修复工艺 周 菲 ( 兖矿集团公司 机械制修厂, 山东 邹城 273500) 摘要: 通过对法国带式输送机滚筒轴断裂原因分析, 提出了利用改造尖角结构和改进热处 理工艺来修复带式输送机大型机件的方案, 着重介绍了滚筒轴的失效分析理论及工艺改进的关键 技术要求。 关键词: 法国带式输送机滚筒轴;失效分析; 修复工艺 中图号: TD528文献标识码: B 1 问题的提出 法国带式输送机滚筒轴是煤矿生产设备技改中 的一种新的尝试, 但由于其轴径粗大, 造成调质后心 部的机械性能较低, 再加
2、上原设计中轴台阶过渡为 尖角, 且表面粗糙度低, 极易产生应力集中, 结果使 该轴在使用初期出现断裂现象。为此, 我们进行了 失效分析, 提出并实施了改造方案。 2 滚筒轴失效理论分析 211 从设计结构及表面质量上分析 ( 1) 滚筒结构及断口分析 法国带式输送机滚筒轴简图如图 1 所示。轴肩 处设计为尖角过渡, 且表面粗糙度为 Ra1215。由于 该轴工作时表面承受交变的弯曲应力和扭转应力, 且受到一定的冲击力作用, 所以轴表面工作应力最 大。尖角的设计出现, 造成应力的特别集中, 在长期 交变应力作用下, 尖角过渡区就逐渐形成了微观裂 纹, 应力集中又使裂纹逐渐扩展, 由微观变为宏观,
3、继而使轴截面严重削弱, 最后发生突然脆断, 即产生 了疲劳破坏。我们通过对该轴宏观断口的特征观察 可以看出, 断口整体形貌为外圆周约有 3 4 mm 深 ( 1) 主机体大, 下井运输不方便。 ( 2) 漏油现象。 ( 3) 零件防护、 防松性差。 ( 4) 电控元件不先进。 ( 5) 齿轮分流器效果差。 ( 6) 履带板强度弱, 易坏。 ( 7) 各管路布置乱。 ( 8) 回转台强度弱。 3 改进措施 辽源煤矿机械厂于 2001 年 2 月对 EBJ) 120S 型掘进机进行改进, 从信息反馈中, 尊重矿方现场提 出的合理化建议作了以下工作: ( 1) 将主机架改分两体, 下井方便运输。 (
4、2) 改进了铲板结构, 提高了收煤效率, 安装方 便。 ( 3) 伸缩头导向键改进最佳工况位置强度增加。 ( 4) 改进联接转载机配套机构的结构更加合理。 ( 5) 改进油缸密封及管接头结构, 杜绝了漏油。 ( 6) 合理布置电、 液、 水管路的联接结构。 ( 7) 电控箱选用 PLC 控制及故障显示、 双电压 660 V/ 1 140 V。 ( 8) 大回转轴承防尘改进, 提高了密封效果。 ( 9) 回转架联接增加强度改进。 ( 10) 增加限位装置, 合理控制截割头摆角、 卧底 量。 ( 11) 液压系统元件优化选型通用性强, 阀式分 流。 ( 12) 伸缩轴定位销增加数量, 提高了强度。
5、 ( 13) 急停按钮选用带闭锁型。 ( 14) 增加零件的防松设计, 履带板改为锻件。 4 结语 改进完善后的 EBJ) 120S 掘进机, 通过井下试 验日进尺20 30 m, 月进尺600 800m, 证明该机能 满足用户使用要求, 达到了设计性能及标准。2001 年 5 月通过/ 国家煤矿掘进机械质检中心0、 / MA0检 测的煤安认证。2001年 9 月按 ISO9000 标准程序文 件、 质量手册生产产品, 提高了产品质量, 更好地为 煤矿服务。 作者简介: 洪源治( 1960- ) , 黑龙江鸡西人, 高级工程师, 现任 辽源煤矿机械厂销售处副处长, 辽源市西安区第五届政协委员,
6、 九三 社员, 发表论文3 篇1Tel: 0437- 3615342. 收稿日期: 2002 -07 -03 Practicing improvement of EBJ ) 120S type roadheader used in the pit HONG Yuan_zhi (Liaoyuan Coal Mine Machinery Factory, Liaoyuan 136201, China) Abstract:This paper introduces the existing trouble to test in the pit, effect is good after improv
7、ed. Key owrds:EBJ) 120S type readheader; test in the pit; improve way #78# 煤 矿 机 械 2003 年第 1 期 的光亮区( 疲劳区) 和最后瞬断区组成, 两区之间有 明显界限, 疲劳区内有许多径向台阶, 说明在轴表面 有许多裂纹源同时向中心扩展, 裂纹长度为 4 5 mm。而最后瞬断区的面积较大, 证明该轴是在较大 的应力下破断的。 图 1 带式输送机滚筒轴 Fig. 1 Drum axle of belt conveyor ( 2) 滚筒轴的疲劳强度校核 技术参数 额定功率 Pe/ kW160 转速 n/ r#mi
8、n- 11 470 减速箱传动比 i30 轴径 d/ mm140 减速箱产生的压力 F/ kN15 45 钢调质后 Rb= 650MPa,Rs= 360 MPa,R- 1 = 300 MPa,S- 1= 155 MPa;正火后 Rb= 580 MPa, Rs= 290 MPa, R- 1= 270 MPa, S- 1= 135 MPa。螺栓 的额定载荷f = 292 kN。根据轴的实际工作要求, 参 考现有设计规范, 确定安全系数 n= 2, 轴的受力分 析简图如图2 所示: 图 2 轴的载荷分析图 Fig. 2 Load analysing diagram of axle 考虑断面处的强度,
9、 作用于此处的力只有减速 箱的重力及紧固螺栓产生的拉力。它们对轴分别产 生弯矩及静应力, 同时轴又传递扭矩, 所以在交变应 力状态下校核轴的疲劳强度。 静强度校核 轴的交变扭转剪应力 Smax= Mnmax/ Wn= 9 550P16/ nzPd 3 = 9 550 160 16 30/ 1 470 3. 14 0. 143 = 58 MPa nsS= Ss/ Smax= 0. 5 Rs / Smax= 2. 5 作用于轴上的最大瞬时载荷 Rmax= Mmax/ W+ f / A = 15 000 0. 2/ 0. 1 0. 143+ 292 000/ (P / 4 0. 142) = 30M
10、Pa nsR= Rs/ Rmax= 290/ 30= 9. 7 ns= nsRnsS/ ( n2sR+ n2sS)= 2. 5 ns= 1. 8 ( ns= 1. 8为按屈服强度的设计安全系数) 轴的静强度满足条件。 疲劳强度校核 当 r= 0. 5, 表面粗糙度 Ra= 12. 5 时, 确定各相 关系数为: kR= 3. 4, kS= 2. 15, ER= ES= 0. 68, B= 0. 8, WR= 0. 34, WS= 0. 21。 轴的交变扭转剪应力的循环特性为脉动循环 Sm= Sa= Smax/ 2= 29MPa nS= S- 1/ SakS/ ( ESB)+ WSSm = 13
11、5/ 2. 9 2. 15/ ( 0. 68 0. 8) + 0. 21 29 = 1. 12 交变弯曲应力 Ra= M/ W= 10. 9 MPa Rm= f / A = 19MPa nR= R- 1/ RakR/ ( ERB)+ WRRm = 270/ 10. 9 3. 4/ ( 0. 68 0. 8) + 0. 34 19 = 3. 62 RRS= nRnS/ ( n2R+ n2S)= 1. 07 n= 2 不满足条件。 可见该轴在动载荷即交变应力作用下, 疲劳强 度满足不了设计要求, 危险断面处易产生疲劳破坏。 另一方面表面加工质量对材料疲劳极限影响很大, 据资料介绍 Rb= 1 40
12、0 MPa 的同一材料, 铣削加工的 工件的疲劳强度仅为抛光加工工件的 35%, 可见轴 台阶过渡为直角, 且加工粗糙是造成断裂的主要原 因。 212 从热处理工艺上分析 通过金相实验, 可以看出, 在显微镜下观察的滚 筒轴表面及心部组织均为细粒状珠光体加网状铁素 体, 晶粒度按 YB27) 77 标准评为 6 级, 这说明滚筒 轴经过调质处理后内部组织仅为正火处理的组织, 调质处理对 45 钢, 3 级。这 些非金属夹杂物分布在轴表面, 不仅削弱钢材自身 强度, 而且是应力集中处, 继而成为裂纹源, 加速了 轴的疲劳断裂。 3 滚筒轴改造及可行性分析 ( 1) 改造方案 通过对滚筒轴断裂的原
13、因分析, 我们不难看出, #79# 2003 年第 1 期 带式输送机滚筒轴的失效分析及修复工艺) ) 周 菲 应力集中是造成该轴疲劳破坏的主要原因, 要改善 轴的抗疲劳强度, 减少轴在剖面突变处的应力集中, 应适当增大其过渡圆角半径 r, 同时还要使零件能 得到可靠定位。为此我们改变了轴的结构工艺性, 将尖角处改为 r= 63 的过渡圆角, 且表面粗糙度提 高到 Ra018, 同时采用轴套进行轴向定位, 改造方案 如图 3 所示。 图 3 改造方案图 Fig. 3 Reform plan diagram 轴套采用锡青铜 ZQSn10- 1 材料, 材质比较软, 易产生塑性变形, 从而减小轴向
14、拉应力。增大过渡 圆角半径 r, 会使应力集中系数迅速减小, 从而达到 削减应力集中的目的, 而提高表面及圆角处的加工 光洁度, 也有利于增强材料的抗疲劳强度。不同表 面粗糙度的表面质量系数如表 1 所示。可见, 只有 精加工, 才能提高表面质量系数, 从而提高抗疲劳强 度。 表 1 表面质量系数 Tab. 1 Surface quacity coefficient 加工方法轴表面粗糙度 Rb/MPa 4008001 200 磨削014 0 18111 车削116 3 12019501900180 粗车613 12 15018501800165 未加工表面017501650145 ( 2) 改
15、造后的滚筒轴疲劳强度校核 当 r= 63, 表面粗糙度为 Ra018 时, 各相应系数 变为: kR= 1. 3, kS= 1. 1, ER= ES= 0. 68, B= 0. 92 nS= S- 1/ SakS/ ( BES) + WSSm = 2. 37MPa nR= R- 1/ RakR/ ( BER)+ WRRm = 270/ 10. 9 1. 3/ ( 0. 92 0. 68) + 0 = 11. 92 nRS= nRnS/ ( n2R+ n2S)= 2. 32 n= 2 满足疲劳强度条件。 通过以上分析,我们可以确定此套结构改造方 案从理论上来讲是可行的。 4 热处理工艺改进及实施
16、效果 从滚筒轴的金相分析图中可以看出, 调质处理 后滚筒轴表面组织存在大量的网状铁素体, 且组织 不均匀。这些铁素体极易产生疲劳裂纹, 加速轴的 疲劳断裂, 因此要增强轴的疲劳强度, 必须消除大面 积网状铁素体。据资料介绍, 正火处理用于亚共析 钢( 如 45 钢) , 可抑制或消除网状铁素体的形成, 使 组织细化, 成分均匀, 从而改善钢件的机械性能。虽 然正火的工艺性不如调质好, 但对滚筒轴而言正火 使其获得的机械性能依然能满足设计要求( 前面计 算已证明) , 为此决定采用正火处理来修复滚筒轴。 由于该轴已是正品, 表面有许多油液, 为防止轴各处 尺寸发生严重变化, 我们首先将轴在 20
17、0 300e 炉 内烘2 3 h, 出炉后进行打磨, 清除油、 锈, 然后再升 温至200 300e 加热 3 h, 出炉后快速在轴表面进行 防氧化涂料处理, 以保护轴表面不至受到损伤, 随后 将轴竖直吊起放入井式炉内缓慢升温至 840e 进行 正火处理。实验证明: 正火后的轴表面脱碳及氧化 程度较轻, 涂防氧化涂料处尺寸正火前后变化不大, 仅为 ? 0102, 并经有关金相检验分析, 原组织内大面 积网状铁素体基本消除, 成分均匀, 晶粒度达到 5 级, 硬度符合性能要求( 正火后HB162 217) 。可见 采用正火工艺来修复滚筒轴是可行的。 5 结语 通过以上分析可以看出, 造成轴断裂的
18、原因主 要是: ( 1) 过渡尖角产生的应力集中; ( 2) 调质处理后 表面存在大面积网状铁素体, 使轴承受疲劳载荷能 力降低, 疲劳裂纹敏感性增大。通过实施修复工艺, 从结构上改变尖角为 r= 63 的过渡圆角, 消除应力 集中, 热处理工艺上利用正火来消除大面积网状铁 素体, 从而改善了轴的机械性能。由于条件所限, 只 是从定性方面获得了肯定, 而在定量方面, 还缺乏足 够的数据进行数理统计分析, 这有待于我们今后继 续努力。 参考文献: 1 徐灏1 机械设计手册(3) M1 北京: 机械工业出版社, 1991 1 2 史美堂1 金属材料及热处理 M1 上海: 上海科学技术出版社, 19
19、81 1 3 濮良贵1 机械零件M1 北京: 高等教育出版社,19891 作者简介: 周菲(1969- ) , 女, 辽宁锦县人, 工程师, 1991 年毕业 于原山东矿业学院机械制造工艺与设备专业, 现在兖矿集团机械制 修厂技术工艺科从事技术工艺及管理工作1 收稿日期: 2002 -08 -17 Failure analysis and probe into renovate technics to the roller shaft of the belt conveyor ZHOU Fei (Machinery Producing and Repairing Factory of Yanz
20、hou Coal Mine Group Company, Zoucheng 273500, China) Abstract:Through the analysisof the breakage of the roller shaft of the french belt conveyer, the plan to repair major parts of the belt conveyor comes out by modifying steep angle configuration and improving heat treatment technics.Mainly intro - duce the failure analysis theory of the roller shaft and key specification to process improvement of technics. Key words:roller shaft of the french belt conveyor; failure analysis; renovate technics #80# 带式输送机滚筒轴的失效分析及修复工艺 ) 周 菲 2003 年第 1 期