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DP-340皮帶輸送機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）
　　摘　要：從使用工況、載荷、材料及熱處理等方面分析DP-340皮帶機滾筒軸頸斷裂的原因，并提出了相應的改進措施。
　　關鍵詞：滾筒軸頸；斷裂；載荷；應力集中；疲勞強度；熱影響區
　　DP-340皮帶輸送機因其運量大、易于安裝、便于維護等優點，廣泛應用于煤礦井下。近年來，西峪煤礦井下大量使用DP-340皮帶輸送機，但由于井下巷道起伏多變，煤量不均勻等因素的影響，使輸送機的工況十分復雜。2004年4月至12月間，該礦四采區主下山3部皮帶機頻繁發生多起從動滾筒軸頸斷裂事故，斷裂部位都發生在安裝齒輪一側d80mm到d90mm的軸肩處。根據現場調查并結合斷軸的斷裂面情況，筆者僅對滾筒軸的斷裂原因分析如下。
　　1　載荷分析
　　DP-340皮帶輸送機是由電動機通過減速器帶動主動滾筒轉動，由一對同步齒輪的嚙合實現主、從動滾筒的共同轉動，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輸，其工作原理如圖1所示。
　　工作時，由于巷道起伏多變，輸送機的載荷隨坡度的變化而變化，同時，在井下實際生產中，煤量的大小也隨采煤工作面條件的變化而變化，這樣就造成輸送機的負載復雜多變，滾筒軸受到的力矩載荷也在不斷地發生變化，特別是在重負荷時緊急停車、輸送機倒轉時被逆止器逆止、重負荷時強行啟動這三種惡劣工況下，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期存在，則滾筒軸必然要承受巨大的反復交變的沖擊載荷，在這種反復交變的沖擊載荷的作用下，軸很容易失效。
　　我們經過現場調查，發現在該礦四采區主下山，共鋪設8部皮帶輸送機，運輸線長，頻繁發生斷軸的3部皮帶輸送機所在位置的坡度變化Z大，該采區布置1個機采工作面，2個炮采工作面，采煤量大，使皮帶輸送機的載荷加大；同時，由于8部皮帶輸送機相互連鎖，只要前面任何一部皮帶輸送機停車，后面的所有皮帶輸送機就全部自動停車，這必然造成所有皮帶輸送機在重負荷下的頻繁啟動或停止。綜合上述分析，筆者認為煤量大、坡度大、長期超載、頻繁的重負荷啟動和停車是造成滾筒軸頸斷裂的主要原因。
　　安裝時，主動滾筒和從動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力，平行度誤差越大，滾筒軸受到的剪切應力越大。
　　我們對現場使用的輸送機機頭主傳動系統進行分析，發現主動滾筒與從動滾筒中心軸線的平行度誤差為3.6%，這遠遠超過了皮帶機安裝的技術要求，滾筒軸必然要承受很大的剪切力，在這種情況下，軸很容易發生彎曲或斷裂。可見，安裝時造成的軸的不平行是滾筒軸發生斷裂的重要原因。
　　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區域，即疲勞斷裂區和瞬斷區。從斷口斷面看，斷口上疲勞區有明顯的疲勞條紋，說明軸的破壞屬于疲勞破壞，瞬斷區所占比例大約為50%，可以認為，在工作過程中，軸的過載程度比較大；從疲勞區看，磨得比較粗糙，說明疲勞裂紋產生后，因過載程度太大，裂紋的擴展速度較快，疲勞裂紋擴展期在總壽命中所占的比例較小，兩斷面還未發生摩擦就進入瞬斷期；從瞬斷區看，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，軸的斷裂是屬于應力集中引起的多源疲勞斷裂。另外，根據對斷軸的結構分析，發現d80mm-90mm的軸肩過渡處，圓角半徑R較小，只有2mm-3mm，應力集中較大，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
　　為弄清短軸的材質和熱處理狀態，我們對所有斷軸取樣進行化學成分分析，結果為：C0.39%、Si0.24%、Mn0.63%、P0.014%、S0.015%，屬于35#或40#鋼，測得表面硬度為HB170左右，遠遠沒有達到技術要求的HB240-280，材料的淬透性差，另外，由于軸的鍵槽部位經過中頻淬火處理，若操作不當，距鍵槽末端不遠處的軸肩，很可能處于中頻淬火的熱影響區，熱影響區不利的殘余應力與d80mm-d90mm的軸肩過渡處的應力集中迭加，更容易造成軸的早期疲勞開裂。
　　根據皮帶輸送機滾筒軸的使用條件和技術要求，結合有關資料介紹，軸應選用淬透性較好的中碳合金結構鋼，比如38CrMnMo、35CrSiMnMo等，它們的淬透性都比較好，經過調質處理后強韌結合較好，為進一步提高疲勞強度，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力集中，應適當加大圓角半徑，提高機加工質量。鍵槽部位中頻淬火操作時應注意避免熱影響區到達軸肩過渡處。如果采用局部表面滾壓強化來提高這一區域的疲勞強度，可以在圓角過渡處形成有利于疲勞強度的表面殘余壓應力。
　　4　結語
　　通過以上分析，可以得出以下結論：
　　（1）皮帶輸送機所處的位置坡度大，煤量大，頻繁的重負荷停車或啟動，使軸承受較大的反復交變的沖擊載荷，過早地發生疲勞破壞，建議在坡度大的位置使用皮帶輸送機時，盡量縮短皮帶輸送機的長度，并且適當控制煤量，加強皮帶輸送機的管理，避免頻繁啟動停車，尤其是重負荷停車或啟動。
　　（2）安裝質量差，滾筒軸中心線不平行，使滾筒軸承受很大的剪切力，造成軸端彎曲或斷裂。建議提高安裝質量，縮小滾筒軸的不平行度。
　　（3）滾筒軸的材質差，熱處理后達不到設計的技術要求，強度低，使軸發生早期的疲勞斷裂，建議選用淬透性較好的中碳合金結構鋼，如38CrMnMo或35CrSiMnMo等，經調質處理來制造此軸。
　　（4）d80mm-d90mm軸肩過渡處，圓角半徑太小，只有2mm-3mm，造成軸肩過渡處應力集中較高，這是軸出現早期斷裂的一個主要原因。建議提高機加工質量，適當加大圓角半徑，并采用局部表面滾壓強化的方法，使疲勞壽命得到提高。
　　（5）熱處理質量差，軸的鍵槽部位需經過中頻淬火處理，淬火時操作不當，使軸頸變化的過渡處處于中頻淬火的熱影響區內，熱影響區不利的殘余應力與軸的幾何形狀突變處的應力集中迭加，是造成軸早期疲勞斷裂的原因之一。建議提高熱處理質量，避免軸頸變化的過渡處處在熱處理的熱影響區內。
來源：《科技情報開發與經濟》2005年第15卷第18期