LJB2000拌合軸斷裂分析

摘 要：通過對斷裂的拌合軸的成分，組織，結(jié)構(gòu)等方面進行試驗分析，結(jié)果表明拌合軸斷裂是由于裝配的瑕疵，使拌合軸轉(zhuǎn)動受阻，彎曲應(yīng)力增加，而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。

關(guān)鍵詞：45鋼 拌合軸 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞

中圖分類號：TK407 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（b）-0082-02

1 情況介紹

軸是機械傳動的主要零件承受較大的沖擊力，要求有較高的強度和足夠的韌性。拌合軸是我公司生產(chǎn)的LJB2000拌和機的主要構(gòu)件，工作條件艱苦，承受較大的軸向負荷。在施工現(xiàn)場發(fā)生了斷裂。斷裂發(fā)生在遠離馬達的那根軸上，在密封套的邊緣，φ100的根部，差不多在缸的內(nèi)壁處。

拌合軸傳動端被扭斷，軸承座、軸承全部斷裂。斷軸上的攪拌臂打彎一只，另一軸上的4根攪拌臂全都打彎。

技術(shù)要求：材料：45鋼 調(diào)質(zhì)處理，硬度 217～255 HB

2 斷裂檢查

2.1 硬度測量

對斷軸進行了硬度測量，測量值為230～250 HB。

2.2 化學(xué)成分檢測（表1）

2.3 金相檢測

金相顯微鏡觀察，斷軸的金相組織為回火索氏體（圖2）。

2.4 斷口檢查

軸的斷口呈灰色，斷面垂直于軸向，斷口直徑為100 mm，存在大量的疲勞撕裂棱和疲勞貝殼線。這些都是典型的疲勞斷裂特征。其上有一個比較粗糙的近圓形區(qū)域，這是最后的過載斷裂區(qū)。其偏離圓心，說明這是旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。由于最后斷裂區(qū)呈均勻細致的纖維狀，說明此軸有良好的韌性（如圖3）。

密封套：表面上有明顯的損傷。這些損傷呈圓周型，深度可達1～2 mm，應(yīng)該是與裝配套筒發(fā)生較長時間非正常摩擦導(dǎo)致的（如圖4）。

軸承內(nèi)圈：可以看到內(nèi)圈表面非常光滑，沒有明顯的劃痕、損傷等，說明軸承的運行比較正常。（如圖1）。

軸承座：軸承座從上至下已斷成兩半，但基本沒有材料損失，為垂直縱向斷裂，說明軸承座受到了左右（水平）方向的應(yīng)力（如圖5a）。

由于軸承座是鑄鐵件，比較脆，斷口平直。斷裂部位呈明顯的脆性特征，說明軸承座的斷裂極有可能是一次性過載的脆性斷裂。斷口有明顯的銹蝕，腐蝕產(chǎn)物成深紅色，也比較厚（如圖6b）。

檢查軸承座，發(fā)現(xiàn)除了斷口右邊內(nèi)緣有一小段磨損外，其余部分沒有明顯的損傷痕跡，甚至連外圈的油漆都完好無損。這表明軸在轉(zhuǎn)動過程中、甚至是在斷裂后也沒有任何部位與軸承座的外圈發(fā)生摩擦。軸承座的內(nèi)表面靠近斷口的地方還發(fā)現(xiàn)了兩個明顯的壓痕，在斷口邊緣的壓痕非常深，很顯然是由軸承鋼珠壓成的。

仔細觀察發(fā)現(xiàn)在斷口的左邊，存在一小段不太明顯的斷裂，斷口的基本沒有損傷，但是在斷口的右邊，卻有一段明顯的磨損，并且在磨損部位附近有一條弧型裂紋。

軸承座兩邊的固定孔。兩個孔邊緣均有一圈不同顏色的油漆痕跡，這應(yīng)該是緊固螺栓的墊片位置。

斷裂的緊固螺栓，這個螺栓是用來緊固軸承內(nèi)圈與拌合軸的。但可以看到螺栓頂部的一半已經(jīng)斷裂，并且有明顯的磨損，呈現(xiàn)過載斷裂的特征。在正常工作情況下，螺栓頂部不可能與任何一個零部件發(fā)生磨損（如圖7a）

在拌合軸上還應(yīng)有另一顆緊固螺栓。這粒螺栓是內(nèi)六角型，深入螺孔內(nèi)部，但在斷裂軸上沒有發(fā)現(xiàn)這顆螺栓。螺孔的螺紋也沒有任何的磨損。由此可以推斷這個螺栓沒有安裝。（如圖6b）。

3 分析討論

通過對斷裂的拌合軸的硬度，成分，組織檢查，說明軸的成分，組織，性能均符合設(shè)計要求，沒有明顯的質(zhì)量問題。

從斷口形貌可以判斷，拌合軸是由于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞而導(dǎo)致的開裂。斷裂起源于軸的幾乎整個外圓表面。

一般而言，軸在正常的轉(zhuǎn)動時只受到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，而旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞是由于拌合軸在運行過程中受到了交變的彎曲應(yīng)力而導(dǎo)致的。

通過前面對軸、軸承內(nèi)外套、軸承座等零部件的分析可以推斷出失效的產(chǎn)生順序。

（1）裝配有瑕疵，加速了拌合軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。

①在運行過程中，軸承座緊固螺絲松懈，使得軸承座發(fā)生水平偏移，拌合軸也隨之發(fā)生偏移，密封套與裝配套筒有了接觸，摩擦也就開始了。密封套與裝配套筒發(fā)生較長時間非正常摩擦，加之偶爾存在的偏高的脈沖外外力，使得拌合軸所受到旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力增加。②拌合軸的內(nèi)六角型緊固螺栓，沒有安裝，使得軸承和拌合軸之間不能很好的配合，增加了軸所承受到的彎曲應(yīng)力。③又由于拌合軸的不同的軸肩的過渡為尖角過渡，加劇了應(yīng)力集中，使發(fā)生多源的疲勞斷裂成為可能。

（2）由于電機還在運轉(zhuǎn)，在鏈條的作用下，斷裂后的拌合軸發(fā)生較大的偏移扭轉(zhuǎn)，這樣就會使得軸承的運行方向發(fā)生改變，是軸承在轉(zhuǎn)動不能自如進行，導(dǎo)致軸承外圈斷裂，軸承的鋼珠也就脫落，打在軸承座上。

（3）軸承外圈斷裂，使得軸承座直接承受電機運轉(zhuǎn)帶來的較高的沖擊力，加之鑄鐵本身的脆性，導(dǎo)致軸承座開裂。

（4）軸承座斷裂分離，斷裂后的拌合軸和軸承座底部發(fā)生接觸，造成了軸承座底部上緣的磨損，及弧形裂紋的產(chǎn)生，與斷裂事故無關(guān)。由于軸承內(nèi)圈硬度較高（實測45HRC），軸承內(nèi)圈表面沒有留下摩擦痕跡。

4 結(jié)論

（1）拌合軸斷裂屬典型的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。

（2）拌合軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞主要原因：裝配有瑕疵，使拌合軸轉(zhuǎn)動受阻，彎曲應(yīng)力增加。