350轧机齿轮轴断裂初探

陈建东

摘要:减速机的齿轮轴是机械设备中的常见设备,它本身设计的合理与否影响到整个设备的安全运行。文章通过对轧钢厂减速机齿轮轴断裂分析,通过轴断口的宏观、微观和力学分析,及轴的多项理化检验和分析,针对轴断裂的原因机理提出了防止轴断裂的对策,以保证轴必要的使用寿命。

关键词:350轧机;齿轮轴;轴断裂;断口分析

中图分类号:TB303文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)24-0181-02

减速机的齿轮轴结构是机械设备中常见的重要设备,它本身设计的合理与否影响到整个设备的安全运行。减速机的齿轮轴是整个设备的重要部分,由于轴的形状较为复杂,局部有键槽、轴肩等特殊形状,这些部位会出现应力集中现象,如果使用常规的方法,就很难准确了解其应力和应变的规律。在过去,一般采用常规的力学方法对轴的结构进行设计,不过这种传统的方法是将实际结构和所受的载荷,根据力学模型进行合理的简化后再进行理论计算的,如果轴的结构有变化复杂的部位,则这一部位的应力、应变分布等规律就不能被完全掌握。同时考虑局部较复杂部位,寻找其应力和应变分布规律,为该轴的结构设计和安全工作提供详实的理论依据。对于减速机齿轮轴齿轮从宏观到微观的一系列检验分析:断口分析,力学分析,金相检验,化学检验和扫描电镜观察分析等,综合该轴的断裂史和该轴所在系统的相关情况,分析其断裂的基本原因及改善措施。

一、轴的断口分析

轴断裂处行貌异常特殊,虽然疲劳断裂,但其疲劳源却始于表层下50mm处,分三区向外疲劳扩展,最后心部瞬断,瞬断区有五个Φ45mm大的异常圆斑。经强度校验,安全系数大于5。其断裂原因实属材质问题。经检验其冲出韧性仅为23.3J/cm,其余合格;疲劳源区有大量Φ1mm长5～8mm的疏松空洞未能锻合,成为疲劳之源;此外夹杂级别过高,多为4级;金相检验该轴表面组织尚有10%～20%铁素体,未达到调质要求;经定氢测试,含氢量为12.5×10-6;这些都促使钢材脆化。瞬间区为脆性解理河流花样。

断口为疲劳断裂,断口上50mm宽的外圈环形区为疲劳扩展区;Φ300mm以内的区域为瞬间断裂区。由断口副的良好匹配性,宏观塑性变形很小,说明脆性严重,疲劳扩展区由三处多源疲劳扩展及与之相连接瞬断区组成,在各疲劳扩展区上均有可见的海滩状纹线。断口的断裂过程是裂纹在源区,即距轴外缘50mm内圆处形成,向外扩展至外缘;随即发生心部Φ300mm以内的高速瞬断。在心部断口,还分布着5个形状相似的圆斑,各斑内有一源(或在中心,或在边缘),裂纹成放射花样,大小约为Φ45mm,在瞬断中,它们起着加速断裂的作用。

在疲劳扩展区的源区以及附近,直接切片取样,用扫描电镜进行观察疲劳源一部分,可见一倾斜辉纹,左上方为疲劳源,有明显空洞和疏松,右下方为扩展区。在源区可见疏松“黑洞”,微小疏松和大量二次裂纹。在心部瞬断区呈现解理和准解理结构,与脆性断裂情形相符合。

二、轴的力学分析计算

由于轴为疲劳断裂,所以我们仅对轴的疲劳强度进行校核。疲劳强度校核拟按电机输出最大扭矩和使安全螺栓破断扭矩两种情况进行。

由电机功率2971kW和电机转速247rpm,得出电机输出扭矩T1=114860N·m。该轧机过载保护装置为装于输出轴端齿轮联轴器上的一组安全螺栓,3-Φ45柱销均布于Φ1134圆周上,轧机运行中该组柱销时有剪断,材料45*钢,调质、剪切强度限τb=320N/mm2,剪断后的柱销截面上,有大于5mm的塑变飞边,瞬间区占销截面的70%。由此得出小齿轮轴上传递扭矩T2=260000N·m。可见T2>T1。因电机与减速机间有J=177Tm2的飞轮,故产生这种短时超载是可能的;考虑轧机的工况和销的破断频率较高,偏于危险以T2作为轴所受外载进行计算。

对于齿轮联轴器,考虑轴端产生转动而产生的附加弯矩,按《机械零件设计手册》取Mf=0.1T。方向与齿轮载荷产生弯矩方向一致时为轴的危险状态。轴上所装齿轮自重G=6100kg。

按以上载荷考虑轴材料热处理等影响疲劳强度的因素,按两种情况进行运算得安全系数n,数据和结果按电机功率:弯矩M=31120N·m、扭矩T=114860N·m、正应力σ=4.9N/mm2、剪应力τ=9.14N/mm2、安全系数n=14;按柱销剪断:弯矩M=64950N·m、扭矩T=260000N·m、正应力σ=10.33N/mm2、剪应力τ=20.7、安全系数n=7。可见常规疲劳强度校核轴疲劳强度足够,造成该轴疲劳断裂属于轴的材质问题。

三、轴的理化检验和分析

通过断口的宏观和微观分析,确定了轴的断裂源和断裂过程。为了进一步分析轴的断裂原因,我们进行以下理化检验和分析:

1.金相分析。在断口上,自轴缘至轴心取出3块试样,做夹杂物成分、形状及评级和金相组织的检验。夹杂物评级结果:试样2、3中的脆性夹杂物超级,按YB25-77夹杂物允许最大级别为3级,试样2中脆性夹杂物为4级,严重超级,其位置与疲劳源位置一致。脆性夹杂物的大量存在,对轴的抗疲劳能力有很不利的影响。断口处金相组织从表面到心部基本上为铁素体+珠光体,铁素体占10%～20%。按技术条件,该轴为调质,金相组织应为回火索氏体。结果与技术条件不符,说明热处理没达到要求。

2.低倍检验。轴上横截取试片,磨光经酸蚀后,观察其上有许多分散分布的疏松,疏松大小Φ1mm,长5～8mm,在半径3/4处较为密集,形成宽约50mm的圆环形疏松密集带。疏松带与疲劳源区的位置正好一致,与源区电子显微镜观察到的大量疏松相对应,可以判定疏松是引起和导致疲劳断裂的主要原因。

3.含氢量检验。做含氢量检验,圆斑处检验含氢量13.4×10-6,非圆斑处含氢量为11.7×10-6,结果表明,材料中含氢量较高,它能引起钢的脆性,使之过早地失效。

除进行了上述检验以外,还做了化学成分检验,各种化学成分含量均在规范之中,故略去其检验结果。

四、轴断裂的原因,机理与预防轴断裂的对策

通过以上对轴断口的宏观和微观分析、轴的力学分析,和轴的多项理化检验和分析,可以对轴断裂的原因,机理做如下论述。

疲劳源的形成和疲劳裂纹的扩展。低倍检查轴的3/4半径处,宽为50mm的疏松密集带,与显微观察到疏松和大量二次裂纹为同一部位,并与冲击韧性αk值很低和夹杂物严量超级相对应,说明该材料有毛坯缺陷——疏松和夹杂物。在力学上,轴受弯矩和扭转作用,外表面计算工作应力为最大(Φ400mm处),常规下,裂纹源应首先起于外表面。但实际上,由于Φ300处有大量疏松和夹杂,微观上这些疏松和夹杂的尖端产生奇异的三向拉伸应力(即应力集中),这种奇异的应力值大大超过计算工作应力,超过外表面处的应力。当超过该处裂纹扩展门槛应力值时,裂纹扩展,由于应力增大的方向为轴心指向外缘,裂纹按应力增大的方向向轴缘扩展。在弯曲应力的对称循环和扭转应力的脉动循环作用下,裂纹扩展成间断、断续型,微观上留下辉纹迹象;停车卸载、起动和大的载荷波动在断口上留下相应的海滩状纹线。

可以判定,该轴属于随机疲劳断裂。由力学分析计算,该轴原设计为无限寿命设计,安全系数足够大(n≥7),还有轴断裂时联轴器上安全销完好,均为这一结论提供了佐证。

轴断裂的主要原因是铸造疏松和夹杂。其它原因为锻造不力和热处理未达到调质要求,未能改善组织和补偿缺陷。

针对上述轴断裂的原因,提出防止轴断裂的对策,建议轴材料由40Cr改用35CrMo锻钢,锻造比必须保证大于3,探伤采用正确的调质处理,保证良好的金相组织,以期达到15年以上的使用寿命。

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