DOIL125030型堆取料機回轉減速機輸出立軸斷裂原因分析及解決方案

高建輝

【摘要】大唐國際發電股份有限公司陡河發電廠丙堆取料機于1982年投產使用，設備型號為DOLl25030，回轉減速機采用立式行星減速機，速比為685.147，2012年1月份回轉減速機輸出軸在使用過程中斷裂，經過搶修，設備在最短時間內恢復使用。回轉減速機輸出軸從小齒圈安裝的軸肩部位斷裂，從斷裂面上分析，該輸出立軸軸肩處的過渡圓角太小，再加上長期超負荷運轉造成的疲勞斷裂。

【關鍵詞】輸出軸 斷裂 原因 分析 方案

【中圖分類號】V231.95 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）04-0477-01

前言

DQLl25030堆取料機回轉減速機采用大連重型機械廠生產的立式行星減速機，速比為685.147，該立軸采用40Cr材質，從斷面上分析軸的斷裂部位為變徑處直徑為220mm，此處為應力集中部位，容易發生斷裂。從軸的斷裂界面看，軸是由外向內依次斷裂，軸的外圈前期已經發生開裂，內部開裂部位為新撕裂不部位，整個斷口呈暗灰色，斷裂平面不平整，有嚴重的塑性變形，產生這種情況的原因是立軸受到超負荷的扭矩，再加上斗輪機使用年限較長使得立軸疲勞斷裂。

1、斷口分析

從斷口看，有明顯的三個區域即裂紋源區、擴展區和瞬斷區，屬典型的疲勞斷裂。斷口比較扁平，裂紋擴展前沿線兩側的裂紋擴展速度較大，瞬斷區在裂紋源的對面，由此可見，失效軸主要受旋轉彎曲應力，而從瞬斷區較小。根據上述斷口分析結果及斷裂形貌，認為軸斷裂屬中等名義應力集中條件的旋轉彎曲產生的疲勞斷裂。軸在承受旋轉彎曲應力的作用下，由于軸的表面硬度較低，加上軸肩應力集中，使軸在正常工作應力下在軸肩處過早的產生疲勞裂紋，隨著循環載荷的作用，疲勞裂紋不斷向基體內擴展，致使軸的有效承載尺寸減少，最后導致軸的斷裂。

2、引起軸斷裂的原因分析

2.1 回轉軸承范卡造成扭矩加大

回轉減速機驅動回轉軸承進行旋轉，由于回轉軸承的工作環境比較惡劣，回轉軸承的密封不嚴進入煤粉，造成回轉軸承卡澀，回轉軸承潤滑不及時，回轉圓柱磨損，造成回轉軸承異常響聲，回轉減速機傳動力矩加大，減速機長期超負荷運行可造成立軸斷裂。

2.2 減速機振動超標

回轉減速機承載回轉力矩較大，在運行中減速機瞬間停止或瞬間啟動造成對減速機沖擊，長時間運行減速機地腳螺栓松動，減速機的振動加大，運轉過程中傳動軸晃動加劇，引起輸出軸斷裂。

2.3 回轉減速機立軸連接的小齒圈與回轉軸承嚙合不好

齒輪嚙合狀況的好壞對回轉機構都有著重要的影響假，如齒輪副側隙過大或齒輪嚙合面積太小，會造成傳動齒輪的磨損過快甚至斷裂，如果回轉齒輪副側隙過小，則增大了回轉機構的傳動扭矩，當傳動扭矩超過回轉機構的額定載荷時，就會致使回轉減速機超載立軸斷軸。

2.4 回轉減速機裝配中心不正

回轉減速機大修后安裝尺寸變化造成立軸不正，在日常檢修中立軸的垂直度只是靠目測，沒有使用精確的測量工具，有可能造成減速機垂直度不高，立軸不正，存在誤差。正確裝配的減速機在運轉時只承受扭矩，運行平穩，沒有脈沖，如果減速機安裝時立軸不正，運行過程中就會受到來自回轉軸承的徑向力，徑向力迫使立軸彎曲，同心度慢慢加大，徑向力使得立軸局部溫度升高，金屬結構不斷破壞，最終導致立軸金屬疲勞折斷。

2.5 堆取料機行走取煤造成回轉減速機頻繁超載

堆取料機在行走過程中采煤量的大小和運行方式會產生對立軸的影響，如果行走過程中采煤量較大而且行走速度和回轉速度不同步就會造成回轉支架受力，對回轉減速機有一定的沖擊力，造成回轉立軸在工作過程中受力不均，回轉軸頻繁過載，也是產生軸斷裂的主要因素。

2.6 軸的化學成分不符合技術要求

回轉減速機的立軸采用40Cr材質，如果該軸含碳量太低，則造成鋼的強度、韌性降低，最終影響其承受沖擊載荷的能力；Cr含量低于標準值，則將會導致材料的淬透性偏低，淬火時不利于得到馬氏體身強度，而且是應力集中處，繼而造成為裂紋源，將會加速軸的疲勞斷裂。

2.7 立軸變徑處的設計不合理，加工質量存在缺陷

減速機立軸根部圓角半徑過小，產生的應力集中很大，該軸斷裂處在設計和加工質量上容易被忽視，造成結構不合理和表面加工質量不高，表面不光潔。在交變應力的作用下在根部形成初始微裂紋，成為裂紋源，在對稱循環交變扭轉剪應力的作用下，軸的根部有較大的應力集中，此處的扭轉工作剪應力很大，而此時減速機輸出軸立軸根部的疲勞極限又大的、大大降低，其結果必然是會導致軸根部截面外邊緣處的交變扭轉最大剪應力大于該處軸的疲勞極限，這樣在軸的根部外表面就形成疲勞微裂紋。在交變應力作用下，裂紋由外表面不斷向內表面擴大，在反復扭轉過程中，外邊緣裂紋裂開的兩個面相互摩擦，即形成了斷口面上的接近外表的光滑區，隨著光滑區不斷的擴大，軸根部的實際工作截面不斷向中心縮小，最后在最大交變剪應力的作用下，截面突然扭斷，就形成了斷口面上的中間部位的粗糙顆粒狀的區域，由此可見軸斷裂是與其自身結構、尺寸和表面粗糙度有關的。

3、采取措施

3.1 提高減速機立軸的加工質量，合理設計變徑處的圓角，從減速機立軸斷裂的原因分析看，要避免軸的疲勞斷裂情況發生，一方面提高軸的疲勞極限，另一方面設法降低軸扭轉時的最大剪應力。對軸的改進措施是首先改變外形，在軸變截面處直接用圓角過度并加大圓角變徑，其次提高軸的加工質量，減提高軸的抗疲勞強度，在軸的熱處理鍛造工藝上要嚴格按照工藝標準進行加工。

3.2 加強質量驗收，在滿足各種加工尺寸和加工精度后，對加工后的回轉立進行進一步的檢測，對立軸進行硬度測試和超聲波探傷，對立軸的材質進行分析，確保其化學成分符合技術要求。

3.3 加強檢修質量，回轉減速機在檢修過程中，嚴格按照檢修標準對回轉軸進行找正，控制好回轉立軸裝配的小齒圈與回轉軸承齒圈的嚙合量；在固定減速機時加固回轉減速機地腳螺栓的固定方式，減速機采用雙止口定位，并且在回轉減速機結合面焊接擋鐵，控制回轉減速機的晃動量，減少立軸對回轉機構的脈沖。

3.4 安裝限力矩裝置，如有條件可在在堆取料機減速機上加裝限力矩裝置，根據電機輸出軸與減速機輸入軸傳遞扭矩的數據來設定限力矩裝置的力矩數值，進行限力矩裝置彈簧的選型。由此實現當回轉減速機的傳遞扭矩小于設定扭矩時，堆取料機可正常運行，當減速機傳遞扭矩大于設定扭矩時，限力矩裝置動作，堆取料機停止運行，這樣可對整個減速機進行保護，消除設備的安全隱患。

3.5 對回轉軸承進行全面檢查，有必要時對回轉軸承解體檢查，查看回轉軸承珠粒的磨損情況，檢查軸承滑道是否有磨損，對回轉軸承進行清洗，更換軸承的密封，緊固回轉軸承的地腳螺栓，及時對軸承進行潤滑，確保回轉軸承穩定運行，減少回轉減速機立軸的回轉力矩。

3.6 加強煤場管理，對設備的運行方式嚴格控制，盡量減少不回轉行走取煤，對清掃人員進行嚴格管理，及時清掃回轉軸承處的積煤，杜絕回轉機構超載運行。

結束語：回轉減速機立軸是堆取料機中重要的傳動部分，該軸的制造工藝及安裝標準都比較高，對回轉立軸的材料性能要求也高，如果化學成分不符合技術要求、鍛造加熱溫度過高、應力集中、熱處理工藝控制不當等是造成軸產生斷裂的原因，因此在制作過程中或由于設計不當造成的。因此在制造過程中應嚴格控制包括機加工和熱處理的每個環節，并且合理設計軸的結構。同時回轉減速機立軸的安裝工藝要求同樣重要，在檢修裝備配過程中要嚴把質量關，減少使得軸斷裂的因素，提高設備可靠性。