國(guó)產(chǎn)新型乳化液泵輸入軸斷裂原因探究

賈 琛，郭新偉，蘇 哲，李 然，王 偉

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司,北京 100013)

青年論壇>

國(guó)產(chǎn)新型乳化液泵輸入軸斷裂原因探究

賈 琛，郭新偉，蘇 哲，李 然，王 偉

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司,北京 100013)

針對(duì)某礦所使用的新型乳化液泵輸入軸斷裂問(wèn)題，基于材料力學(xué)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)等理論，采用材料成分分析、金相分析等方法，結(jié)合有限元分析等仿真手段，探究斷軸發(fā)生的原因。試驗(yàn)結(jié)果表明材質(zhì)選擇、零件設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品熱處理工藝等均滿足要求。而在有限元分析的結(jié)果中驗(yàn)證聯(lián)軸器裝配偏心會(huì)造成輸入軸形變，并最終導(dǎo)致輸入軸斷裂。因此重視傳動(dòng)設(shè)備的偏心調(diào)整是保護(hù)設(shè)備使用安全的重要手段。

乳化液泵；輸入軸；斷裂；金相分析；有限元分析

乳化液泵作為煤礦綜采自動(dòng)化中的基礎(chǔ)核心設(shè)備，是為液壓支架和自移式設(shè)備列車(chē)提供液壓動(dòng)力[1-3]的裝備。乳化液泵減速系統(tǒng)是將電能轉(zhuǎn)化為液壓能的中間樞紐，在泵站系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用[4]。輸入軸作為電機(jī)與泵站減速箱直接連接部件，其結(jié)構(gòu)與曲軸連桿一同確定了減速箱的空間尺寸；同時(shí)輸入軸強(qiáng)度也是保證泵站減速系統(tǒng)安全穩(wěn)定的重要因素之一[5-6]。通過(guò)眾多失效分析總結(jié)，疲勞斷裂是軸類(lèi)零部件失效的首要原因[7-8]。由于輸入軸通常會(huì)有部分暴露在箱體外面，因此輸入軸的失效在箱體內(nèi)會(huì)連帶曲軸連桿等零部件損壞，在箱體外會(huì)威脅到泵站附近人機(jī)安全，嚴(yán)重情況導(dǎo)致人員傷亡[9]。

某礦工作面投入2臺(tái)國(guó)產(chǎn)某新型乳化液泵站，該泵額定流量400L/min，額定壓力37.5MPa，井下使用2個(gè)月時(shí)間，其中1臺(tái)泵站發(fā)生輸入軸斷裂，由于斷裂位置在箱體外，且有防護(hù)罩保護(hù)，沒(méi)有造成人員方面的傷害。為了防止此類(lèi)事故再次發(fā)生，同時(shí)確認(rèn)此次斷軸事故的原因，筆者通過(guò)對(duì)斷裂的輸入軸的化學(xué)成分、斷口分析、金相分析等方面進(jìn)行探究，再結(jié)合有限元分析計(jì)算，綜合判斷該輸入軸斷裂的原因。

1 宏觀斷口分析

該泵的輸入軸斷裂位置為與聯(lián)軸器相連的軸頭位置(圖1)，斷口截面平整，與軸向呈直角，截面由于旋轉(zhuǎn)摩擦，僅能看到疑似半圓弧形裂紋擴(kuò)展停止線，這是疲勞斷裂典型的結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)斷口紋路判斷，裂紋初始沿鍵槽邊緣開(kāi)始發(fā)散。逐漸形成半圓弧紋路，斷裂進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。隨著斷裂逐漸擴(kuò)展，依然相連的部位強(qiáng)度逐漸承受不住持續(xù)的彎扭，最終導(dǎo)致軸頭部分的脆性斷裂(圖2)。

圖1 輸入軸斷裂位置

圖2 齒輪軸斷口部位

從斷裂軸頭上取樣進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示芯部硬度為32～33HRC，表面硬度平均為448HV，呈現(xiàn)外硬內(nèi)軟的滲氮處理特征，再通過(guò)硬度梯度法檢驗(yàn)確認(rèn)斷軸樣本的硬化層深度為0.45mm(圖3)。

圖3 硬度梯度法硬化層深度檢驗(yàn)

2 輸入軸材料檢驗(yàn)分析

在斷軸上取樣，對(duì)材料化學(xué)成分進(jìn)行分析，其分析結(jié)果如表1所示，由此看出輸入軸材料為某種高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼。

通過(guò)酸浸法檢驗(yàn)材料低倍組織檢驗(yàn)(圖4)，其結(jié)果為1級(jí)，驗(yàn)證結(jié)果正常。金相組織分析，樣本由圖5顯示斷軸基體組織結(jié)構(gòu)為回火索氏體和少量鐵素體。非金屬夾雜物為0.5級(jí)，滿足GB10561-2005T 所規(guī)定的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(圖6)。在對(duì)其帶狀組織觀察比對(duì)，等級(jí)為1.5，低于ASTM E 1268-2001所規(guī)定的3級(jí)(圖7)。

對(duì)材料進(jìn)行力學(xué)分析，并分別與該型材料國(guó)標(biāo)和德標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，在各項(xiàng)指標(biāo)中均滿足兩標(biāo)準(zhǔn)要求(表2)。

通過(guò)對(duì)材料化學(xué)成分分析、金相組織分析和力學(xué)分析，可以推斷出該齒輪軸的材料選擇、熱處理工藝和機(jī)加工工藝均滿足使用要求，所以可以排除輸入軸因以上原因所導(dǎo)致斷裂的可能性。

表1 材料化學(xué)成分分析 /%

圖4 酸浸低倍組織檢驗(yàn)

圖5 基體組織視圖

圖6 非金屬夾雜物100倍視圖

圖7 帶狀組織100倍視圖

抗拉強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa延伸率/%斷面收縮率/%備注實(shí)測(cè)值1080.33-13.3762.4未顯示屈服強(qiáng)度國(guó)標(biāo)>980>785>9>40德標(biāo)980～1270>685>8>35直徑大于60

3 輸入軸強(qiáng)度校核和有限元分析

3.1 輸入軸強(qiáng)度校核

大齒輪傳遞的扭矩應(yīng)為泵處于額定負(fù)荷下的扭矩，其額定扭矩為：

(1)

式中，P為乳化液泵額定壓力，37.5MPa；Q為理論額定流量，436.7L/min；n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，1485rpm。

按電機(jī)功率計(jì)算扭矩：

(2)

式中，P電為電機(jī)額定功率，315kW。

考慮到正常工作時(shí)齒輪軸所承受的最大扭矩為電機(jī)額定工作狀態(tài)下曲軸傳遞的扭矩，齒輪軸最大扭矩為：

(3)

式中，M齒為齒輪軸所受扭矩，i為齒輪副轉(zhuǎn)速比，3.39。

在輸入軸工作時(shí)，其受到電機(jī)輸入扭矩與曲軸傳遞過(guò)來(lái)的周向力的作用，該周向力可以簡(jiǎn)化成一個(gè)通過(guò)軸心力P和一個(gè)力偶M(圖8)。通過(guò)計(jì)算得到當(dāng)曲軸的角度轉(zhuǎn)到第一列連桿到210°時(shí)，連桿滑塊傳遞給曲軸并作用在曲軸上的扭矩最大為12656N·m，計(jì)算曲軸和齒輪軸在這種受力狀況下的應(yīng)力狀態(tài)。此時(shí)，曲軸受到齒輪軸傳過(guò)來(lái)的周向力，2個(gè)連桿的推力，以及軸承的支反力，以此為邊界條件，進(jìn)行計(jì)算。而在曲軸受到最大扭矩時(shí)，齒輪軸受到的周向力為：

(4)

式中，F(xiàn)t為齒輪軸所受周向力，12656N·m；d1為齒輪軸齒輪分度圓直徑，0.1035m。

圖8 齒輪軸受力

輸入軸受到人字齒輪傳遞的徑向力和扭矩的作用，應(yīng)用理論分析方法，對(duì)輸入軸的強(qiáng)度和撓度進(jìn)行分析。

(5)

式中，αn為法向壓力角，20°；β為螺旋角，18°。

輸入軸受到周向力和軸承的支反力的作用，以此代入邊界條件，得到結(jié)果如圖9所示，由圖中可以看到，主動(dòng)軸在應(yīng)力最大點(diǎn)應(yīng)力為358.27MPa。

圖9 齒輪軸受力有限元分析

對(duì)比齒輪軸的材料性能，抗拉強(qiáng)度為980～1270MPa,屈服強(qiáng)度為685MPa，因此輸入軸的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于強(qiáng)度要求；輸入軸最大位移為1.623×10-2mm，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸入軸的長(zhǎng)度和兩齒輪件的跨度，因此撓度方面也滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 條件假設(shè)與有限元分析

在正常條件下，假設(shè)在聯(lián)軸器使用時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩對(duì)軸頭處有影響，安裝位置即軸頭位置施加一個(gè)與齒輪處反向的轉(zhuǎn)矩2027N·m，在遠(yuǎn)端軸承位設(shè)為固定鉸接夾具，齒輪軸向端面選用滑竿滾柱夾具，齒輪處載荷分解為一個(gè)徑向力與一個(gè)轉(zhuǎn)矩，徑向力設(shè)為72141N，轉(zhuǎn)矩設(shè)為2027N·m。

通過(guò)仿真結(jié)果(圖10)可以看出，正常在軸頭位置加載轉(zhuǎn)矩，對(duì)軸頭并無(wú)明顯影響。

圖10 正常加載條件下齒輪軸受力仿真結(jié)果

為簡(jiǎn)化運(yùn)算模型設(shè)置，僅在近軸頭的軸承位置設(shè)固定鉸接夾具，并在軸頭位置施轉(zhuǎn)矩。通過(guò)圖11可以看出，雖然軸頭位置因轉(zhuǎn)矩造成的應(yīng)力比之前有明顯增大，且應(yīng)力變化區(qū)域與實(shí)際斷裂位置基本吻合，但仍不足以對(duì)軸頭產(chǎn)生影響。

圖11 簡(jiǎn)化加載條件下齒輪軸受力仿真結(jié)果

以上2種邊界設(shè)定均不能證明聯(lián)軸器所產(chǎn)生的扭矩會(huì)使軸頭發(fā)生此次斷裂事故。

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中齒輪軸設(shè)計(jì)說(shuō)明[10]，聯(lián)軸器因制造及安裝誤差所產(chǎn)生的附加圓周力

(6)

式中，T為齒輪軸所受扭矩，2027.42N·m；D1為聯(lián)軸器作用直徑，0.2m。

由于F0方向不定，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況了解，電機(jī)軸與該輸入軸在豎直方向上有明顯的不同軸情況，因此將F0設(shè)置在軸頭邊緣垂直于鍵槽向下位置，其余邊界條件不變。通過(guò)圖12可以看出附加圓周力對(duì)軸頭位置施加彎矩，使得軸頭位置產(chǎn)生明顯形變，最大應(yīng)力位置超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，仿真結(jié)果與實(shí)際事故情況基本符合，因此電機(jī)與泵間兩軸不同軸是導(dǎo)致此次軸頭斷裂事故的主要原因。

圖12 施加彎矩后齒輪軸受力仿真結(jié)果

4 結(jié)論與猜想

(1)通過(guò)對(duì)斷軸的材質(zhì)成分、金相分析和斷口分析，確認(rèn)斷軸的材質(zhì)、設(shè)計(jì)、熱處理工藝等滿足要求，不是造成軸頭斷裂的原因。

(2)通過(guò)對(duì)斷軸現(xiàn)象正常加載、簡(jiǎn)化加載等有限元分析，確認(rèn)正常工況下不會(huì)導(dǎo)致軸頭斷裂。

(3)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)現(xiàn)偏心的情況進(jìn)行仿真分析，確認(rèn)偏心運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輸入軸軸頭處承受外界較大的彎矩，造成軸頭薄弱位置受到的應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，最終導(dǎo)致斷裂。

(4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋情況，在注意日常維護(hù)時(shí)注意聯(lián)軸器對(duì)中后，泵站運(yùn)轉(zhuǎn)正常至今，未出現(xiàn)軸頭斷裂以及聯(lián)軸器損壞等情況。通過(guò)以上結(jié)論筆者進(jìn)一步猜測(cè)：

(1)斷軸位置并非在不同軸徑間的臺(tái)階位置，是否鍵槽位置存在損傷？

(2)斷軸是否還有其他原因?qū)е拢?/p>

通過(guò)本次對(duì)斷軸事故的分析，可以看出偏心對(duì)輸入軸工況有很大影響，現(xiàn)場(chǎng)與仿真結(jié)果相對(duì)應(yīng)能確認(rèn)聯(lián)軸器偏心是此次斷軸的主因，聯(lián)軸器兩端調(diào)平是對(duì)軸保護(hù)的重要方式，在重視聯(lián)軸器調(diào)平后，類(lèi)似事故未再出現(xiàn)，因此檢查聯(lián)軸器兩端是否調(diào)平需要在設(shè)備的實(shí)際使用中得到足夠的重視。對(duì)于此次斷軸情況，筆者還將進(jìn)一步去關(guān)注和探究。

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[責(zé)任編輯：王興庫(kù)]

Reasons Analysis of Input Shaft Breakage of New Type Emulsion Pump in Domestic

JIA Chen，GUO Xin-wei，SU Zhe，LI Ran，WANG Wei

(Beijing Tiandi-Macro Elector-Hydraulic Control System Co.，Ltd.，Beijing 100013)

To the problem of input shaft breakage of new type emulsion pump in one coal mine，based on some theory as material mechanics，mechanical dynamics and so on，the breakage reasons were analyzed by material component analysis，metallographic analysis with finite element analysis.The test results showed that material，detailing design and production hot treatment process meet the demands.Input shaft deformation would appeared after coupler off-center arrangement was vertified by finite element analysis，and then input shaft breakage would appeared，so driving devices off center adjustment was important method for equipment safety.

emulsion pump；input shaft；breakage；metallographic analysis；finite element analysis

2017-01-29

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.029

發(fā)改委能源自主創(chuàng)新及重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)振興和技術(shù)改造(能源裝備)項(xiàng)目(發(fā)改投資(2015)1780號(hào))；中國(guó)煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2014ZD006)；天地科技技術(shù)創(chuàng)新基金(2014TDGZZD-01)

賈 琛(1989-)，男，北京人，助理工程師，碩士，主要從事礦用高壓大流量柱塞往復(fù)泵研發(fā)工作。

賈 琛，郭新偉，蘇 哲，等.國(guó)產(chǎn)新型乳化液泵輸入軸斷裂原因探究[J].煤礦開(kāi)采，2017，22(3)：100-103.

TH137.52

A

1006-6225(2017)03-0100-04