帶式輸送機滾筒軸斷裂失效分析

朱慧慧, 羅小平(華南理工大學 機械與汽車工程學院, 廣州 510640)

帶式輸送機滾筒軸斷裂失效分析

朱慧慧, 羅小平
(華南理工大學 機械與汽車工程學院, 廣州 510640)

某快遞物流公司的帶式輸送機用滾筒軸在運轉時經常發生斷裂，嚴重影響物流線的正常運行。通過宏觀分析、金相檢驗、掃描電鏡斷口分析、化學成分分析以及受力分析等方法，對滾筒軸斷裂原因進行了分析。結果表明：由于滾筒軸未進行調質處理，降低了材料的強度和疲勞性能；軸表面在加工時留下粗糙刀痕，成為疲勞裂紋源；滾筒軸軸徑變化處的過渡圓角半徑偏小,造成該處應力集中嚴重;滾筒軸在工作中處于不停的運轉中，極易在軸肩角應力比較集中的位置發生疲勞斷裂。最后提出了相應的改進措施。

滾筒軸;疲勞斷裂;調質處理;應力集中

軸是工程設備中最常見的傳動零件之一，通常承受彎曲載荷、扭轉載荷或彎扭復合載荷，在一些特殊的機構中，也承受拉壓載荷[1-2]。在實際使用中，軸在工作過程中處于不停的旋轉狀態，可能會由于材料、疲勞、扭轉、彎曲、應力等因素發生疲勞斷裂失效，直接影響設備的正常安全運行[3]。

某機械設備公司設計和生產的滾筒軸，主要應用在快遞公司物流輸送設備中。該滾筒軸在實際運行一段時間后，出現大量斷裂失效現象，斷裂均發生在軸徑變化處，整個軸頭斷掉，存在很大的安全隱患。更換大批量的滾筒軸，不僅嚴重影響了快遞公司物流線的正常運行，而且造成了大量的資源浪費。

滾筒軸結構示意圖如圖1所示，可見斷裂發生在軸臺階根部，即滾筒軸直徑45 mm到直徑60 mm的變化處，斷裂面與滾筒軸軸線垂直，斷裂后兩個斷口的宏觀形貌分別如圖2(a)～(b)所示。

根據經驗，初步認定滾筒軸失效的原因有以下幾個：滾筒軸設計不合理，造成局部應力過大；滾筒軸加工工藝不合理或者未達到要求；材料內部存在缺陷,降低了材料性能；過載等。為了查明該滾筒軸斷裂失效原因，確保物流輸送線的正常和安全運行，同時為改進滾筒軸設計和生產技術提供參考意見，筆者對斷裂滾筒軸進行了檢驗和分析。

圖1 滾筒軸結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of the roller shaft

圖2 滾筒軸斷裂后的兩端宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of two fractured parts of the roller shaft:(a) one end; (b) the other end

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

根據斷裂性質，斷口可分為：脆性斷口、韌性斷口、疲勞斷口和由介質或熱影響而斷裂的斷口[4]。疲勞斷裂是指在疲勞斷裂前不會發生塑性變形，沒有變形預兆，是在長期損傷累積過程中，經裂紋萌生和緩慢擴展到臨界尺寸時才突然發生的，是一種潛在的突發性斷裂[5]。圖3為圖2(b)所示斷裂滾筒軸斷口的宏觀形貌特征，可以看出斷口平直整齊，無明顯塑性變形，屬于脆性斷裂[6]。由圖3中的放射紋擴展方向可以判斷，斷裂起始于滾筒軸表面，整個斷口可分為明顯的3個區域：圖3中1區為疲勞源區，2區為疲勞裂紋擴展區，3區為瞬斷區，其中疲勞裂紋擴展區面積約占整個斷口面積的2/3。

圖3 滾筒軸斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of the roller shaft

斷裂滾筒軸的側面形貌見圖4，可見粗糙的加工刀痕。由于在實際制造過程中，受加工工藝等方面的影響，滾筒軸臺階根部過渡圓角曲率半徑較小。加之臺階過渡處本身就是應力集中位置，這些因素綜合作用，使滾筒軸臺階過渡處的應力集中非常嚴重，在滾筒軸所承受的交變載荷作用下，其表面極易萌生疲勞裂紋[7-8]。

圖4 滾筒軸側面加工刀痕Fig.4 Machining marks on the side of the roller shaft

1.2 斷口微觀分析

通過掃描電鏡(SEM)觀察滾筒軸斷口微觀形貌。圖5(a)為疲勞源區斷口低倍形貌，可見裂紋起始于滾筒軸表面，且存在多個疲勞裂紋源[7]。疲勞裂紋源放射線相對集中，在裂紋擴展中相遇，裂紋前沿因阻力不同而發生擴展方向的偏離，因此裂紋形成后在各自平面上不斷擴展，不同斷裂面相互交割而形成臺階，這種臺階在斷口上構成了放射線。在滾筒軸工作過程中承受的交變載荷作用下，斷口中間部位的裂紋沿著斷口表面橫向擴展，圖5(b)為疲勞裂紋擴展區斷口微觀形貌，可見疲勞輝紋和二次裂紋。圖5(c)為瞬斷區斷口微觀形貌，呈解理+準解理斷裂特征。

圖5 滾筒軸斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture of the roller shaft:(a) fatigue source area; (b) crack propagation area; (c) transient fracture area

1.3 金相檢驗

分別在圖3所示的斷裂滾筒軸邊緣和內部取金相試樣，并取1號試樣的內側面和2號試樣的橫截面作為金相磨制面。試樣經磨制、拋光、4%硝酸酒精溶液(體積分數)侵蝕后在光學顯微鏡下觀察。試樣顯微組織為珠光體+呈網狀分布的鐵素體，如圖6所示。可見滾筒軸材料未進行調質處理，這會大大降低材料的強度和疲勞性能，加快滾筒軸疲勞斷裂的進程[8]。

圖6 滾筒軸顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the roller shaft

1.4 化學成分分析

滾筒軸材料為45鋼，屬于中碳鋼。在滾筒軸斷裂處取樣，采用火花放電原子發射光譜儀通過光譜法分析其化學成分。 由表1可見，滾筒軸材料各元素含量均符合GB/T 699-2015對45鋼成分的技術要求。

2 滾筒軸靜力分析

2.1 滾筒軸受力分析

簡化滾筒軸模型，滾筒軸除受幅板壓力F1和軸承座的支撐力F2作用外，同時還受到扭轉驅動作用。另外，該滾筒軸與幅板和滾筒體焊接成一體，因此附加一個力矩M。圖7所示為滾筒軸的簡化受力模型和滾筒軸的彎矩，可見彎矩最大處即60 mm直徑處，是危險截面。通過下面兩式分別計算出危險截面處的F1和M：

式中：F1為幅板對滾筒軸的壓力，N;S1為傳送帶緊邊張力，N;S2為傳送帶松邊張力, N；G為滾筒重力,G=3 000 N；M為滾筒軸在計算截面處所受彎矩，N·m;L1為幅板至軸承中心的距離，m。

實現本質安全化的一種技術理念，即本質安全設計，是指通過選擇安全的物料、機械設備、工藝路線等控制危險源的一種基本方法，在源頭上消除或者控制危險事故的發生，并不依賴安全防護措施去控制它們。根據本質安全設計的原則，按強度校核滾筒軸直徑。在軸彎矩最大處，通過下式校核滾筒軸的直徑：

式中：D為滾筒軸直徑，mm；T為電機輸入扭矩；[τ]為滾筒軸材料的切應力，取[τ]=60 MPa；φ為系數，取φ=0.9；P為電機功率，kW；n為電機轉速，r·min-1。

由式(3)得出D≥75 mm,與滾筒軸的最初設計直徑60 mm相差比較顯著。因此滾筒軸的設計尺寸有待改進，從而改善各薄弱環節，提高軸的疲勞強度。

表1 滾筒軸的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the roller shaft (mass) %

圖7 滾筒軸受力和彎矩模型圖Fig.7 Schematic diagram of force and bending moment of the roller shaft

2.2 軟件模擬應力分布

該滾筒軸材料為45鋼，彈性模量為210 GPa,泊松比為0.28，密度為7 800 kg·m-3。建立簡化模型，采用六面體網格劃分和自由網格劃分，在軸承位置施加軸向位移和z軸轉動約束，約束其他自由度，施加載荷求解結果如圖8所示，最大應力位置出現在幅板與軸連接位置，并且接近軸直徑變化位置。結合前述滾筒軸受力分析，在考慮經濟成本范圍內，改變滾筒軸直徑，再利用模擬軟件進行結構應力分析。結果發現應變變化不大，應力降低20%左右，由此說明結合本質安全設計理論減小應力是行之有效的。

圖8 滾筒軸應力分布圖Fig.8 Stress distribution of the roller shaft

圖9 滾筒軸應力隨軸肩角半徑的變化曲線Fig.9 Stress curve of the roller shaft changed with the shaft corner fillet radius

檢查軸肩角應力發現，最大計算應力范圍遠遠低于疲勞應達到的值，隨后研究軸肩角圓角半徑這個參數對應力大小的影響。發現隨著圓角半徑的減小，應力逐漸增加，見圖9。該斷裂軸的軸肩角半徑大約是0.5 mm，在實際加工中會形成一個尖銳的角落，模擬得出的應力范圍高于當圓角半徑為4 mm時的應力范圍的83%，該值相差比較顯著。軸材料的持久強度極限通常被認為是其抗拉強度的0.46[10]，可以估計為262 MPa，可見最大計算出的應力水平是相當高的。

3 分析與討論

由斷口分析結果可知，滾筒軸斷裂為疲勞斷裂。斷裂位于軸徑變化處，本身為應力集中處，加之該處過渡圓角半徑較小，且軸表面存在粗糙的加工刀痕，進一步加劇了該處的應力集中，因而極易在該處萌生疲勞裂紋。由金相檢驗結果可知，滾筒軸未進行調質處理，大大降低了材料的強度和疲勞性能，加快了疲勞裂紋的擴展。滾筒軸在工作中處于不停旋轉運作狀態，裂紋萌生后在工作過程中的交變應力作用下不斷擴展，當剩余截面強度不足以承受外部載荷作用時，滾筒軸便會發生快速斷裂。

4 結論及建議

該滾筒軸斷裂屬于脆性疲勞斷裂，導致其斷裂的內在原因是滾筒軸材料未進行調質處理；外在原因是滾筒軸直徑變化處過渡圓角半徑偏小，且表面存在明顯的加工刀痕。滾筒在受載運轉時，在軸徑變化處先出現裂紋，然后向四周不斷擴展，最終導致滾筒軸發生脆性疲勞斷裂。

建議改進滾筒軸加工工藝，增大過渡圓角半徑，提高軸表面質量，減輕應力集中；同時對滾筒軸進行調質處理，提高滾筒軸的強度和疲勞性能。

[1] 陳慧玲.普通軸類零件失效分析[J].金屬熱處理,2007,32(7):85-87.

[2] 張洪信.有限元基礎理論與ANSYS應用[M].北京:機械工業出版社,2006.

[3] 楊可楨,程光蘊,李仲生.機械設計基礎[M].5版.北京:高等教育出版社,2006.

[4] 謝海皇.42號自卸車銷軸斷裂失效分析及研究[D].湘潭:湘潭大學,2007.

[5] 孫梅,李建華.曲軸強度研究及斷裂原因分析[J].小型內燃機與摩托車,2014,43(2):92-96.

[6] 祁學軍,楊冬梅,晏高華.42CrMo軸件斷裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2013,49(1):55-58.

[7] 顧寶蘭,張雪濤,徐彤.45鋼電機軸斷裂分析[J].理化檢驗-物理分冊,2013,49(5):327-329.

[8] 孫宇紅,李鐵虎. 電機軸斷裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(3):216-218.

[9] 謝東,張樹勛,李后軍,等.調質鋼的組織分析[J].科技創新導報,2010(18):77.

Failure Analysis on Fractue of Belt Conveyor Roller Shafts

ZHU Hui-hui, LUO Xiao-ping
(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology,Guangzhou 510640, China)

The belt conveyor roller shafts of a logistics company often fractured in the operation, which seriously affected the normal operation of the logistics line. Through macroscopic analysis, metallographic examination, SEM fracture analysis, chemical composition analysis and force analysis, the fracture reasons of the roller shaft were analyzed. The results show that the strength and fatigue properties of material of the roller shaft were reduced due to no quenching and tempering treatment. The rough machining marks on the shaft’s surface became the source of fatigue cracks. The fillet radius of the roller shaft diameter changing position was too small and caused the stress concentration. The roller shaft was in continuous operation, so fatigue fracture easily happened at the stress concentrated shaft shoulder. Finally, the corresponding improvement measures were put forward.

roller shaft; fatigue fracture; quenching and tempering treatment; stress concentration

2016-01-06

朱慧慧(1988-)，女，碩士研究生,主要從事工程機械零部件失效分析方面的研究，1432702791@qq.com。

10.11973/lhjy-wl201702015

TG162.71; TG157

B

1001-4012(2017)02-0136-04