□ 牛軍燕 □ 劉 杰 □ 唐永濤 □ 劉 全

1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鄭州 451400 2.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鄭州 450015 3.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 鄭州 450015

1 故障情況

某礦業(yè)有限公司選煤廠原煤倉(cāng)可逆移動(dòng)帶式輸送機(jī)有機(jī)頭機(jī)尾雙向卸料的功能,可沿軌道雙向運(yùn)行,既能邊行駛邊卸料,又能定點(diǎn)卸料。配倉(cāng)移動(dòng)可逆帶式輸送機(jī)為室內(nèi)布置,能滿(mǎn)足連續(xù)運(yùn)行的要求。機(jī)頭機(jī)尾各設(shè)驅(qū)動(dòng)滾筒,由電氣控制滾筒的正反轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)頭尾雙向卸料。帶式輸送機(jī)滾筒軸正反轉(zhuǎn)時(shí)承受對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力,在實(shí)際運(yùn)行一段時(shí)間后,出現(xiàn)斷裂失效現(xiàn)象。斷裂發(fā)生在軸徑變化處,直接影響設(shè)備的正常安全運(yùn)行。滾筒軸斷裂處宏觀樣貌如圖1所示。

圖1 滾筒軸斷裂處宏觀樣貌

斷裂發(fā)生在軸肩處,即滾筒軸直徑由125 mm至145 mm 的變化處。斷裂面整齊光滑,且與滾筒軸軸線垂直。根據(jù)長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)推斷,滾筒軸斷裂的原因大致有以下幾方面:① 滾筒軸軸徑設(shè)計(jì)過(guò)小,造成局部應(yīng)力過(guò)大;② 滾筒軸過(guò)渡倒角處理工藝不合理,導(dǎo)致應(yīng)力集中;③ 材料本身存在缺陷,熱處理工藝不到位,降低了材料性能;④ 過(guò)度振動(dòng)或過(guò)載等[1]。

2 力學(xué)分析

在不同的工況下,對(duì)軸需要采用不同的校核方法[2]。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核時(shí),應(yīng)該根據(jù)軸的實(shí)際工況來(lái)選擇相應(yīng)的計(jì)算方法,并恰當(dāng)選取許用應(yīng)力。對(duì)于僅僅承受扭矩的軸,應(yīng)該按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件來(lái)計(jì)算。對(duì)于僅僅承受彎矩的軸,應(yīng)該按照彎曲強(qiáng)度條件來(lái)計(jì)算。對(duì)于既承受彎矩又承受扭矩的軸,應(yīng)該按照彎扭合成強(qiáng)度條件來(lái)計(jì)算,必要時(shí)還應(yīng)該按照疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核。驅(qū)動(dòng)裝置采用單點(diǎn)浮動(dòng)支承形式,即電動(dòng)機(jī)、液力耦合器、減速機(jī)安裝在同一底座上,減速機(jī)末級(jí)齒輪軸套裝在傳動(dòng)滾筒軸上,驅(qū)動(dòng)裝置底座支承于單點(diǎn)支承上,單點(diǎn)支承在電動(dòng)機(jī)的下方[3]。正常工作時(shí),電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)驅(qū)動(dòng),使?jié)L筒旋轉(zhuǎn),從而帶動(dòng)輸送帶運(yùn)行。由此可以判斷,滾筒軸懸臂端不僅承受扭矩,同時(shí)也承受彎矩。

帶式輸送機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 帶式輸送機(jī)技術(shù)參數(shù)

實(shí)際工作中,現(xiàn)場(chǎng)電流最大為38 A,實(shí)際消耗功率P為39 kW,實(shí)際消耗扭矩為4.530 kN·m。

通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)滾筒軸在實(shí)際工況下的受力分析,可知滾筒軸所受的載荷,如圖2所示。

圖2 滾筒軸載荷

按照文獻(xiàn)[4]進(jìn)行計(jì)算,軸的彎扭合成強(qiáng)度為23.66 MPa。

按照實(shí)際工況,帶式輸送機(jī)滾筒軸承受對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力,由文獻(xiàn)[5]查得所用材料40Cr鋼的許用應(yīng)力為70 MPa,彎扭合成強(qiáng)度小于許用應(yīng)力,所以軸徑選擇合理。

為了精確計(jì)算,選取最危險(xiǎn)的截面,即斷裂面進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。軸的材料為40Cr鋼,經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理,由文獻(xiàn)[6]查得彎曲疲勞極限為335 MPa,抗拉強(qiáng)度極限為685 MPa,剪切疲勞極限為185 MPa。

斷裂面處的倒角半徑r為5 mm,斷裂處小軸徑d為125 mm,斷裂處大軸徑D為145 mm,斷裂處最大彎矩M為6 kN·m,則r/d為0.04,D/d為1.16,由文獻(xiàn)[6]查得斷裂面上由軸肩形成的理論應(yīng)力集中因數(shù)ασ為2.02,ατ為1.405,材料的敏感因數(shù)qσ為0.86,qτ為0.89,尺寸因數(shù)εσ為0.59,ετ為0.77,表面質(zhì)量因數(shù)βσ和βτ均為0.92,40Cr鋼特性因數(shù)φσ為0.2,φτ為0.1,則有效應(yīng)力集中因數(shù)kσ、kτ分別為:

kσ=1+qσ(ασ-1)=1.877 2

kτ=1+qτ(ατ-1)=1.36

由于軸表面未進(jìn)行強(qiáng)化處理,綜合因數(shù)Kσ、Kτ分別為:

截面上疲勞極限的法向應(yīng)力幅值為31.3 MPa,對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力的法向平均應(yīng)力為0。截面上疲勞極限的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅值為1/2扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為11.59 MPa。

因此,僅有法向應(yīng)力時(shí)的安全因數(shù)Sσ為3.27,僅有扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力時(shí)的安全因數(shù)Sτ為16.34,則計(jì)算安全因數(shù)Scα為:

根據(jù)軸的實(shí)際工作要求,參考現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范,確定安全因數(shù)臨界值為2,由于計(jì)算安全因數(shù)大于安全因數(shù)臨界值,因此經(jīng)過(guò)疲勞強(qiáng)度校核,確認(rèn)該滾筒軸的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求,軸徑合理。

3 有限元分析

滾筒軸材料為40Cr鋼,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.028,密度為7 800 kg/m3[7]。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)建立模型,采用六面體網(wǎng)格劃分和自由網(wǎng)格劃分,在軸承位置施加三個(gè)方向的位移約束[8]。根據(jù)實(shí)際工況施加載荷,主要包括兩端驅(qū)動(dòng)裝置施加在滾筒軸懸臂上的垂直載荷12 kN、滾筒自重52 kN、輸送帶對(duì)滾筒的張緊力140 kN、實(shí)際消耗扭矩4.530 kN·m。加載求解后得到滾筒軸應(yīng)力云圖和變形云圖,分別如圖3、圖4所示。

圖3 滾筒軸應(yīng)力云圖

圖4 滾筒軸變形云圖

最大應(yīng)力出現(xiàn)在滾筒軸軸端的軸肩處,值為26.592 MPa,該值和力學(xué)分析得出的彎扭組合最大應(yīng)力接近,可信度較高。40Cr鋼的許用應(yīng)力為70 MPa,該滾筒軸在實(shí)際工作時(shí)的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于40Cr鋼的許用應(yīng)力,由此證明軸徑選擇合理。

4 金相組織觀察

滾筒軸經(jīng)濃度為4%的硝酸酒精浸蝕后進(jìn)行金相組織觀察,如圖5所示。金相組織不均勻,其中有絮狀物,以及明顯缺陷。裂紋源及其附近組織存在白亮薄層和劇烈變形帶,斷面的金相組織與基體差別不大,均為索氏體+貝氏體+鐵素體,證明該滾筒軸調(diào)質(zhì)熱處理不合格,材料強(qiáng)度低于技術(shù)要求。

圖5 滾筒軸金相組織

5 結(jié)論

筆者采用力學(xué)分析、有限元分析、金相組織觀察相結(jié)合的方法,對(duì)帶式輸送機(jī)滾筒軸斷裂故障進(jìn)行了分析[9]。

(1)對(duì)于既承受彎矩又承受扭矩的軸,應(yīng)該按照彎扭合成強(qiáng)度條件來(lái)校驗(yàn)計(jì)算,必要時(shí)還應(yīng)該按照疲勞強(qiáng)度條件精確校核軸徑設(shè)計(jì)是否合理。這一方法不僅用于軸斷裂后的分析,而且在設(shè)計(jì)階段也可使用。

(2)在力學(xué)分析后可以結(jié)合有限元分析來(lái)驗(yàn)證計(jì)算的可靠性,在力學(xué)分析和有限元分析均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的情況下,若仍然出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象,則需要考慮材料的熱處理工藝。

(3)熱處理工藝的效果可以通過(guò)觀察金屬材料金相組織得出。即使設(shè)計(jì)滿(mǎn)足技術(shù)要求,但只要熱處理工藝不合格,依然會(huì)導(dǎo)致軸斷裂。

(4)40Cr鋼是強(qiáng)度較高的一種優(yōu)質(zhì)鋼,淬透性差,建議采用正火代替調(diào)質(zhì)處理,再對(duì)大直徑軸進(jìn)行表面中頻感應(yīng)淬火,以提高軸的綜合性能[10]。