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    論28JF減速機(jī)一軸頻繁斷裂原因及其修復(fù)方法

    2016-08-16 03:28:10蔡繼安
    大科技 2016年17期
    關(guān)鍵詞:軸類錐齒輪軸頸

    蔡繼安

    (陜西陜煤彬長(zhǎng)生產(chǎn)服務(wù)中心 陜西省咸陽(yáng)市 713600)

    論28JF減速機(jī)一軸頻繁斷裂原因及其修復(fù)方法

    蔡繼安

    (陜西陜煤彬長(zhǎng)生產(chǎn)服務(wù)中心 陜西省咸陽(yáng)市 713600)

    對(duì)大佛寺礦井下28減速機(jī)一軸頻繁斷裂原因分析,在軸產(chǎn)生萌生裂紋后到裂紋的擴(kuò)展,在到瞬間斷裂,整個(gè)過程的失效形式是不是到達(dá)正常的失效值后產(chǎn)生的斷裂。并且軸的對(duì)接,主要采用68減速機(jī)一軸的結(jié)構(gòu)形式改造28減速機(jī)一軸。

    軸;斷裂;失效;強(qiáng)度;校核

    1 軸類的幾種失效形式

    我們最常見的軸類失效形式有:①?gòu)澢?;②失穩(wěn),對(duì)于特別細(xì)長(zhǎng)的軸容易產(chǎn)生失穩(wěn);③重心偏執(zhí),空心軸比較常見;④扭曲;⑤斷裂,當(dāng)然也是必要嚴(yán)重得一種失效形式。為此我們將以減速機(jī)28JF軸的斷裂進(jìn)行分析及其修復(fù)方法進(jìn)行討論。

    2 軸的斷裂位置及其端面情況分析

    2.1 斷裂位置(如圖1)

    圖1

    2.2 斷面及其宏觀分析

    圖2

    清潔斷口后無(wú)銹跡無(wú)煤泥等雜質(zhì),出現(xiàn)明顯的貝殼形狀花樣,屬于典型的疲勞斷裂,斷口可見疲勞裂紋區(qū)A區(qū),裂紋擴(kuò)展區(qū)B區(qū),瞬間斷裂區(qū)C區(qū)三個(gè)區(qū)域組成。

    2.2.1 疲勞裂紋萌生區(qū)的宏觀特征分析

    宏觀說疲勞源區(qū)一般位于軸的表面或者是亞表面的應(yīng)力集中處,由于疲勞源區(qū)的裂紋擴(kuò)展速度比較慢,經(jīng)過反復(fù)的受交變應(yīng)力的沖擊使疲勞裂紋慢慢擴(kuò)展,因此疲勞萌生區(qū)一般具有下面宏觀特征:①氧化或者腐蝕較重,顏色較深;②斷面平坦,細(xì)密有小顆粒面;③萌生區(qū)與擴(kuò)展區(qū)有明顯的界限區(qū)分;④在源區(qū)雖看不到疲勞弧線,但是有向外發(fā)射的疲勞弧線的中心。疲勞裂紋的萌生都是由局部塑性應(yīng)變集中所引起,最常見的有三種裂紋萌生方式,滑移帶開裂,晶界和孿晶界開裂,夾雜物或者第二相與基本的界面開裂,其中滑移帶開裂是最常見的裂紋萌生方式之一,也是三種方式中最基本的一種,塑性變形和形成滑移帶不但是滑移帶開裂的基礎(chǔ)也是其他萌生方式的先決條件。

    2.2.2 裂紋的擴(kuò)展區(qū)的宏觀特征分析

    裂紋的擴(kuò)展屬于疲勞失效的第二階段,裂紋的擴(kuò)展方向一般是沿著主軸的垂直方向擴(kuò)展,為單一的擴(kuò)展裂紋,在裂紋尺寸D,尺寸在0.01

    2.2.3 臨界尺寸的計(jì)算

    經(jīng)過查詢確認(rèn)軸的材質(zhì)是采用40Cr進(jìn)行調(diào)質(zhì)加工制成,40Cr材質(zhì)主要用于用于無(wú)沖擊,而載荷較大的機(jī)械行業(yè)的軸類。

    圖3

    臨界裂紋尺寸ac:有彈性的裂紋判斷依據(jù)。

    Kmax:應(yīng)力強(qiáng)度因子(可根據(jù)材料能量因子進(jìn)行計(jì)算)。

    f:一般裂紋尺寸的函數(shù),中心存在裂紋寬板f=1,單邊存在裂紋寬板f=1.12,根據(jù)斷口可以判斷此裂紋屬于單邊裂紋寬板。

    σmax:材料所能承受的最大徑向載荷,可根據(jù)材料力學(xué)分析查詢。

    ac:軸類失效后裂紋的臨界尺寸。

    JIC:根據(jù)材料力學(xué)性能查得當(dāng)材料40Cr斷裂所釋放的能量為39。

    E:彈性模量,可查詢得,合金鋼彈性模量為206。

    由以上得:

    Kmax=90(代入(1))

    可得:

    ac≈52

    由以上可知ac<110,屬于正常失效行為。

    減速機(jī)一軸的產(chǎn)生裂紋萌生原因有很多,環(huán)境的影響,連軸器的不平衡因素,制作加工時(shí)的缺陷等一系列影響軸的裂紋萌生與裂紋的擴(kuò)展等,最終達(dá)到軸的斷裂失效。

    3 28減速機(jī)一軸斷裂后的修補(bǔ)方法

    根據(jù)軸的斷裂位置,無(wú)論在軸哪個(gè)部位進(jìn)行對(duì)接,整根的軸最終還是有接口,為此翻閱更多資料進(jìn)行查詢斷軸的對(duì)接方法,最終很不理想。對(duì)軸再次進(jìn)行詳細(xì)分析后,了解了許多關(guān)于軸的制作加工工藝,為此參照了礦用68JS減速機(jī)一軸結(jié)構(gòu)模式對(duì)礦用28JS減速結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,具體情況如下(軸的修補(bǔ)工藝):

    (1)斷軸如圖4,保用原有的螺旋錐齒輪,用軸心和錐齒輪的配合方法,將其軸心更換掉。

    (2)用車床夾住φ140或者在φ150處,在利用中心架架在φ170處,在進(jìn)行找正,找正后進(jìn)行車孔,且孔與φ150同軸度保證在0.02mm內(nèi),同時(shí)把臺(tái)階孔車成,具體情況如圖4。

    圖4

    (3)在用內(nèi)抓卡抓住另一端,車掉多余的φ170mm處,只剩下螺旋錐齒輪。

    (4)用插床在螺旋錐齒輪內(nèi)孔插出鍵槽,如圖5。

    圖5

    (5)用φ180的45#鋼粗車出軸的毛胚尺寸。

    (6)熱處理軸調(diào)質(zhì)HB220-250。

    (7)精車到相應(yīng)尺寸,具體情況如圖6。

    圖6

    (8)最后在裝配,如圖7。

    圖7

    4 軸的強(qiáng)度校核計(jì)算

    僅受扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度校核計(jì)算:

    這種方法用于主要承受轉(zhuǎn)矩軸的強(qiáng)度計(jì)算,或在初步設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)時(shí),估算最小軸頸。若主要承受轉(zhuǎn)矩的軸還受有不大的彎矩,則可以降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的辦法予以考慮。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為:

    式中:ζt——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,MPa;

    T——軸所受的扭矩,N·mm;

    Wt——軸的扭抗截面系數(shù),mm3;

    n——軸的轉(zhuǎn)速,r/min;

    P——軸的傳遞功率kW;

    d——計(jì)算截面處的直徑,mm;

    [ζt]——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,MPa。P=800kW d=100mm n=1484r/min

    [ζt]=25-45MPa 查表得:

    此時(shí)需要將軸調(diào)質(zhì)到一定的硬度,使其的[ζt]≥25.7 則滿足 ζt≤[ζt]。

    在初步估算軸的直徑時(shí),可以由上式得到軸的估算公式:

    查表可得A=126-103。

    滿足要求當(dāng)許用應(yīng)力[ζt]≥25.7↑A值越↓,軸頸↓?,F(xiàn)在根據(jù)A=103最小時(shí)計(jì)算出極限估算軸頸:

    當(dāng)提高許用應(yīng)力[ζt]時(shí)A值越小則就是需要滿足800kW 1484轉(zhuǎn)速軸頸極限是φ83.5,當(dāng)提高許用應(yīng)力值[ζt]時(shí),φ100的軸就能滿足要求。

    5 結(jié)論

    在一軸產(chǎn)生萌生裂紋后,隨著裂紋的不斷擴(kuò)展,在達(dá)到臨界值ac后,產(chǎn)生的正常疲勞斷裂。

    減速機(jī)在地面順利加載完成,下井后,一直對(duì)減速機(jī)的使用情況進(jìn)行跟蹤,反應(yīng)上來(lái)的信息都非常樂觀,運(yùn)行非常的平穩(wěn)沒有任何異常情況,待減速機(jī)使用2個(gè)月后返上地面后對(duì)軸再次進(jìn)行檢查檢測(cè),情況非常良好,依然能夠正常使用。

    根據(jù)軸的強(qiáng)度校核計(jì)算,計(jì)算出在有效載荷下,軸的最小有效面積,由于裂紋的萌生和裂紋的擴(kuò)展已經(jīng)產(chǎn)生應(yīng)力集中,所以軸的有效面積計(jì)算需要將應(yīng)力集中考慮到強(qiáng)度校核計(jì)算。在裂紋大約達(dá)到一定數(shù)值,這時(shí)軸的有效面積已經(jīng)接近或者等于計(jì)算值,根據(jù)計(jì)算最小有效面積可以得到裂紋的臨界值,根據(jù)使用用途,40Cr調(diào)質(zhì)后,所以減速機(jī)一軸的最好材料是采用40Cr制作。下列計(jì)算根據(jù)40Cr算出裂紋臨界值。

    [1]桂立豐,曹用濤.《機(jī)械工程材料測(cè)試手冊(cè)》.遼寧科技出版社,2002.

    [2]成大先.《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》.化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

    TH132.46

    A

    1004-7344(2016)17-0194-02

    2016-6-1

    蔡繼安(1987-),男,助理工程師,本科,主要從事煤礦設(shè)備維修技術(shù)工作。

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