球磨机的齿轮轴断裂故障的分析与解决方法

摘要

对于1.8*7球磨机小齿轮轴承断裂的原因分析，并采取相应的措施，确保球磨机的安全运行。

山西某水泥有限责任公司的主要水泥球磨设备是1.8x7m球磨机。该磨机配备电机的功率为P=245KW，n=750r/min，ZD60减速机，传动比i=4.5，其传动示意见图1，回转部分总重量25.4t，研磨机装载量21t，其中小齿轮轴材质为40Cr，调质处理HB=266，trb=700MPa，[tr_dw=70MPa，tr=500MPa。

该轴于1999年8月因轴承装配松动，曾对轴承装配部位进行过堆焊修补，2000年初该轴发生断裂，断裂部位位于动力输入端且发生在 16O轴颈的根部(见图2)。为了保障企业的正常生产，避免类似事故的发生，我们对该轴的断裂原因进行了分析。

一、断裂分析

1.1 轴的断口分析

轴的断口区组成见图3，断口为明显疲劳断裂，特征征断裂面由光滑的疲劳发展区和粗粒状的断裂区组成，说明裂纹起源于焊接过的过渡圆角。在应变力下形成裂纹后，裂纹继续发展形成疲劳区，由于边缘反复压紧和分开，使疲劳区呈现光滑状态，并有裂纹发展过程的前沿线；轴中部粗粒状的区是由于当裂纹达到临界尺寸后，在英里循环次数的作用下，迅速发生断裂而造成的。

1.2 轴的力学分析

由于断面具有明显的疲劳断裂特征，对轴的疲劳强度校核如下。

球磨机齿轮传动的模数m=22mm，大小齿轮的齿数分别为140、21，由此可知小齿轮轴的传递转矩T=13510Nm，齿轮的圆周力Ft=2T/d=58484.85N，齿轮的径向力Fr=Ft·tana=21286.74N。轴的危险截面C安全系数为：由常规疲劳强度校核。可见轴疲劳强度足够，说明造成轴疲劳断裂原因材质或其它问题。

1.3 轴的理化检验与分析

为了进一步分析轴断裂的原因，我们进行了理化检验和分析。在断口上由轴外圆向里截取金相显微试样，经在显微镜下观察。发现轴在表层至里1.5-2mm是一层枝晶状铁素体夹少量珠光体，它是焊条焊接后未经过适当热处理的原始组织，其冲击韧度值与设计规范值相差巨大，再向里有比较粗大的珠光体和铁素体晶粒，它是由材料过热所致。是造成轴机械性能下降。特别是冲击韧性下降的主要原因。按技术要求，对该轴进行调质处理，金相组织应为回火索氏体这一结果，说明轴的热处理工艺没有达到技术要求，并且脆性夹杂物超级，有疏松组织存在，严重地降低了轴的疲劳强度。

二、造成断裂的因素

由以上分析与检验，轴断裂存在以下几个原因。

(1)应力作用

轴颈160处的轴肩过渡圆角过b(R角3.5mm)，轴在磨损后，进行补焊修复时，破坏了原有轴肩过渡“R”角的形状，几乎无过渡圆角，呈直角，此处存在严重的应力集中。在弯扭应力作用下产生疲劳裂纹。这是轴断裂的主要原因。

(2)焊接残余应力大

通过对轴断口的金相组织分析可知，轴的焊接部分未进行适当的热处理，焊接残余应力较大，导致轴抗交变应力下降，一旦遇上振动。极易产生裂纹。

(3)材质缺陷

由轴的理化检验和分析可知，轴的材质有疏松组织，夹杂物超级，堆焊修理后未能进行适当热处理，未能改善组织和补偿缺陷。从而轴的金相组织未能达到调质处理的回火索氏体，使得冲击韧度值过低，轴在交变载荷作用下，裂纹以很快的速度扩展到心部．最后全部断裂。

(4)轴与轴承配合间隙大

经检测， 160轴颈处加工偏差大，使得轴与轴承内圈配合较松，造成轴与轴承内圈相对转动，即跑内圈，从而引起轴承内圈在轴上滑动而使轴磨损，这也是导致轴磨损和断裂的另一个主要因素。

(5)负荷过大

由齿轮轴的受力分析(图4)可知，齿轮轴承受较大的弯矩和扭矩，弯矩在轴上产生正应力，扭矩产生剪应力，这些应力在轴运行中不断变化，属于对称循环交变应力，同时还存在附加动负荷，一旦遇到振动、过载、突然起动和制动及多次重负荷冲击时，轴容易产生裂纹而断裂。

三、解决方法

针对上述因素，为了防止发生类似事故提出以下几点措施。

(1)加大过渡圆角，减小应力集中。原齿轮轴径从 160到 180。通过R3．5圆弧过渡，现采取适当增大过渡圆角半径，用R5圆弧过渡，这样将应力集中减小到最小，从而提高轴的疲劳强度。此外，一经发现轴磨损后就马上进行修复，在修复过程中要把好轴过渡“R”角的关，使得过渡圆角与设计图纸相符。

(2)轴与轴承选择合适的过盈配合。轴与轴承的配合不能太松也不能太紧，太松会引起轴承内圈在轴上滑动而使配合面磨损，配合过盈量太大，应力集中也增加，轴的疲劳强度降低也越严重。因此，合理地选择轴与轴承内圈配合的过盈量十分重要。

(3)轴从加工到安装要严格按图纸要求。探伤检查锻造质量，采用正确的调质处理，以保证良好的金相组织，为了提高轴颈的耐磨性，还应对轴颈处进行高频表面淬火和低温回火处理。

(4)规范操作。严禁球磨机过载和冲击振动，加强设备的维护和保养，定期检查齿轮和轴承的运行状况，一旦发现轴承跑内圈，应及时修复，修复可采用电镀或堆焊补等方法。电镀是一项修复旋转机械零件的最好方法，在电镀过程中正确的工艺是确保镀层质量的重要手段。采用堆焊补对轴进行修复时，除了要合理选择焊接材料、工艺外。还要采用必要的热处理工艺，严格控制焊前预热和焊后回火温度和时间，以达到均化组织，去除内应力的目的，然后进行车、磨等机械加工，直到尺寸符合图纸要求。