高炉带式输送机改向滚筒断轴原因分析

常艺萱 孙文峰 刘铁钢

（北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141）

滚筒是带式输送机的主要部件，分为传动滚筒和改向滚筒。改向滚筒的作用是改变输送带的运行方向或增加输送带与传动滚筒间的围包角，它的使用寿命严重影响着输送机的正常运行。滚筒在运转过程中发生断裂、断轴，造成胶带撕裂，高炉停产，造成较大的经济损失。为防止此类事故再次发生，本文对滚筒断轴原因进行分析，查找事故产生的原因，为日后的改进提供理论依据。

一、滚筒主轴及轮毂断裂情况

1 滚筒概况

滚筒位置：高炉上料带式输送机拉紧滚筒。

断裂位置：轮毂和轴。

轴和轮毂均为整体结构，其中轴为锻造，轮毂为铸造。

轴的直径为Φ438mm，材质为45#钢，需调质处理，HB217-269；轮毂材质为ZG20Mn。

2 主轴断裂试验分析

为分析断裂原因，从主轴上截取部分轴的断面送检分析。

2.1 主轴断口宏观形貌分析

肉眼观察，轴的断面已经生锈，呈土黄色。断面比较平坦，无明显的撕裂痕。从断面上看，瞬断区位于断面心部，但已偏离圆心；辐射区比较平坦，占断面大部分，可见受力不大；裂纹源从断面上已无法清晰看到，就断裂形式推测裂纹源可能在边部。断面经过多次磨损，局部位置存在细小的疲劳条纹，断口为疲劳断口。

2.2 轴的电镜断口形貌分析

取断面试样发现边部断口已经磨损，无法观测其微观形貌，未见加工刀痕。

2.3 轴的金相组织观察

从端口边部至心部依次取几块金相试样，进行轴的基体材质微观观察。试样中有硫化物、氧化物夹杂及氮化物夹杂（红棕色），硫化物和氧化物级别不高，氮化物较严重。轴的边部组织为珠光体+铁素体+少量魏氏组织，轴的基体及心部组织均为珠光体+铁素体组织。从轴的边部往心部，组织变化不大，只是铁素体含量逐渐增高。

表1 轴的化学成分

2.4 轴的化学成分测试

从轴上取样，用直读光谱进行其成分测试，其成分符合标准GB/T699-1999 中45#钢的成分要求，见表1。

2.5 轴的硬度测试

经测试，轴表面硬度HBW 为249、250 和250，基体硬度HBW 为235、244和228，均满足设计要求。

2.6 轴的低倍酸侵蚀试验

取轴部分基体横截面进行低倍酸侵蚀试验，检验其低倍组织。侵蚀后未发现气泡、裂纹等明显低倍缺陷。

3 轮毂的材质分析

取轮毂试样进行金相组织分析，发现轮毂中有较多的显微孔隙和沿晶分布的夹杂物，夹杂物主要含有Al、O、S 和Mn 等元素。侵蚀后，轮毂组织为粗大的铁素体+珠光体+魏氏组织。

4 试验结果分析

经过推测轴的断口为高周低应力疲劳断口。轴在发现断裂前可能局部已发生断裂，先断裂的断面在空气中氧化、生锈。

据图纸要求，轴需要进行调质处理。调质处理后，其边部组织应为回火索氏体，以保证其较高的强度和硬度要求，与组织观察结果不符。轴中还发现有较严重的氮化物夹杂，氮化物夹杂呈块状，不易变形，会影响轴的疲劳性能。

轮毂为铸造形成，观察时发现存在显微孔隙。显微孔隙的存在会显著降低其力学性能，使用过程中显微孔隙可能会成为疲劳源而导致疲劳断裂。夹杂物沿晶分布，会明显弱化晶界，降低材料整体强度，加速轮毂的断裂。

二、从设计角度对改向滚筒进行校核

1 原始参数

（1）工艺参数：带宽：B=2200mm；带速：V=2m/s。

（2）载荷参数：合张力：F=1112kN。

（3）结构参数：滚筒直径：D= 1370mm；轴承中心距：L=3200mm。

轴承座中心到接盘中心的距离a=515mm。

轴承处轴径d1=400mm；轮毂处轴径d0=440mm。

（4）寿命参数：轴承设计寿命Lh=50000 小时。

（5）计算简图如图1 所示。

2 校核轴的刚度

（1）校核轮毂处转角θp（[θp]=3）

满足刚度要求。

满足刚度要求。

3 校核轮毂断裂处轴的强度[σ]= 50N/mm2

满足强度要求。

二、从热处理工艺角度对改向滚筒进行分析

淬火加高温回火称为调质处理。淬火所得到的组织是马氏体，高温回火后为回火索氏体。不同的钢种，接受淬火的能力不同，因而淬成马氏体组织的深度即淬透层深度也就不同。钢的淬透性通常用淬火临界直径来衡量。淬火临界直径越大，淬透性越好。

改向滚筒轴的材质为45#钢，45#钢在静油中完全淬透的临界直径是10mm。但是，对于相同材质的零件，零件尺寸越大，内部热容量越大，淬火时零件冷却速度越慢，因此，淬透层就越薄。改向滚筒轴的断裂处直径为438mm，所以该轴断裂处的淬透层深度小于5mm。

另外，在检测报告中发现非常关键的一点：轴中有较严重的氮化物夹杂即非金属夹杂物，非金属夹杂物呈块状。由于大锻件是由大型的钢锭锻制而成，钢锭越大，其气体、杂质的含量越高，偏析、疏松、缩孔、非金属夹杂物等组织和成分的不均匀性也越严重，并且由于钢锭大，锻造时往往不能锻透，这些冶金缺陷便不同程度地残留在锻件中，夹杂物在热处理过程中不能被消除。在锻件加热和冷却时，由于夹杂物和基体金属的热膨胀特性不同，二者之间会产生很大的热应力，这种热应力将会对大锻件的机械性能如强度、塑性和韧性等产生负面影响，甚至使锻件淬火开裂。所以轴中含有较严重的氮化物夹杂是导致改向滚筒轴断的直接原因之一。

三、从工艺角度对断轴及轮毂断裂分析

1 断轴

轴于R0.5 倒角处断裂，从产品制造加工方面考虑R0.5 数值较小，加工过程中容易形成尖角而不是倒角，此处又为与接盘联接处，为滚筒主要受力部位，因此存在从尖角处断轴的危险。

2 接盘断裂

接盘于轮毂根部断裂，断口为铸件原色，并无锈蚀处，而轴断口处已经全部生锈，分析原因为轴先断裂，断轴带动接盘长时间旋转最终导致接盘于轮毂薄弱处根部断裂。

结语

通过分析，可以得出以下结论：

（1）高炉用带式输送机，坡度大，运量大，频繁的重负荷停车或启动，使轴承受较大的交变冲击载荷，容易发生疲劳破坏。应加强输送机的管理，避免频繁启动停车，尤其是重负荷停车或启动。

（2）轴肩过渡处，圆角半径太小，造成应力集中较高。应提高机加工质量，适当加大圆角半径，并采用局部表面滚压强化的方法，提高疲劳寿命。

（3）滚筒轴的热处理质量差，轴的材质一般，热处理后达不到设计的强度要求。受力较大的滚筒轴应选用淬透性较好的中碳合金结构钢，经调质处理，并且要避免轴颈变化的过渡处位于热处理的热影响区内。

[1]中国机械工程学会热处理学会.热处理手册（第4 版）[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]毛继新.DP-340 皮带输送机滚筒轴颈断裂的原因分析[J].科技情报开发与经济，2005（18）：261-262.