裂紋對提升機壽命的影響分析

張愛梅

（山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司， 山西　陽泉　045000）

引言

從工程實踐反饋的信息來看，很多軸類零件斷裂都是由于焊接裂紋、鍛造缺陷等因素造成的，提升機主軸鍵槽與軸肩很容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，受交變荷載影響，在表層形成裂紋，裂紋達到一定程度就會失穩(wěn)，從而出現(xiàn)損傷斷裂，釀成事故與經(jīng)濟損失，所以主軸設(shè)計與安全評價非常重要。傳統(tǒng)安全系數(shù)法對構(gòu)件的認定較完整，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計是結(jié)合損傷容限與斷裂力學(xué)而確定，結(jié)合構(gòu)件裂紋更加可靠、安全。

1　JK雙滾筒提升機的主軸概述

在整個提升機系統(tǒng)中，主軸對提升機發(fā)揮著重要作用，也是主軸的關(guān)鍵部分。因為提升機工況比較復(fù)雜，提升機主軸是整個機械的重要裝載，需要承擔(dān)彎扭交變荷載的壓力。

在應(yīng)用提升機時，主軸裝置中的人字孔、卷筒、株洲體等相關(guān)構(gòu)件都容易產(chǎn)生裂紋，當(dāng)前針對裂紋的做法是：第一，通過焊接的方式對裂紋實施多次焊接，以此不斷增強工作效果，但實踐證明并不能達到預(yù)期效果。第二，將卸載應(yīng)用到裂紋部位，把作用于該處的荷載轉(zhuǎn)移或者分散到?jīng)]有裂紋的區(qū)域，同時加強被轉(zhuǎn)移部位，但該方法會對其他部位構(gòu)成壓力，甚至威脅其他部位，裂紋問題依然存在。本文以JK單繩纏繞式提升機主軸作為研究對象，充分利用ANSYS、MATLAB、Auto-CAD等繪圖軟件，對主軸實施三維建模，然后再借助斷裂力學(xué)對裂紋實施應(yīng)力強度K因子仿真分析與J積分分析，通過計算裂紋尺寸，以達到預(yù)測壽命的要求[1]。

2　提升機主軸斷裂的原因

出現(xiàn)裂紋的原因主要包括以下幾種：安裝與制造精度不夠，主軸制造材料有缺陷，結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，設(shè)計方法不科學(xué)，維護不當(dāng)?shù)取Ｔ谶@期間，設(shè)計方式不當(dāng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理都會影響受力，應(yīng)力集中在局部和零件薄弱處發(fā)生裂紋，最終影響產(chǎn)品使用周期。事實上，即使設(shè)計很科學(xué)，在長時間的交變荷載影響下，也會出現(xiàn)疲勞裂紋。

提升機主軸出現(xiàn)裂紋的方式有兩種情況：第一，主軸在生產(chǎn)與制造期間存在白點與雜質(zhì)等問題，讓主軸內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，在鍛造后出現(xiàn)縱向裂紋。第二，主軸在表層加工時存在缺陷，長時間使用會受交變力影響出現(xiàn)疲勞裂紋，其表現(xiàn)形式為主軸橫向裂紋[2]。

通過實踐我們發(fā)現(xiàn)，提升機主軸斷裂的區(qū)域通常是長時間承受交變荷載，并且鍵槽尖角集中的區(qū)域（具體如圖1所示）。從圖1我們可以發(fā)現(xiàn)，主軸在斷裂區(qū)域比較整齊，主軸直徑得到了控制。主軸在斷裂期間，會經(jīng)歷三次劇烈變化，并且形成明顯的斷裂位置：第一，斷裂源。從斷裂面可以發(fā)現(xiàn)切向鍵槽的尖角區(qū)域，存在清晰的裂紋拓展痕跡，主軸斷裂從該部位引出，并且向其他部位延伸，表明應(yīng)力集中的區(qū)域很容易出現(xiàn)斷裂。第二，裂紋拓展的區(qū)域。從圖1可以看到各部分的光澤與顏色不同，存在銹跡的區(qū)域為裂紋拓展區(qū)域，顏色相對較深的區(qū)域說明裂紋產(chǎn)生時間很長，顏色偏淺的地方說明裂紋出現(xiàn)的時間很短，都是裂紋拓展的過程。第三，瞬斷區(qū)。斷裂面光亮并且凹凸不平，也都是提升機主裂紋失穩(wěn)、瞬間斷裂的地帶。在計算面積的同時，就能得出斷裂前主軸所受應(yīng)力。在斷裂面研究中，還可以通過繪制主軸斷口示意圖的方式，生動的展現(xiàn)三個區(qū)域性斷裂。提升機工作期間，主軸會受交變荷載影響，應(yīng)力集中的區(qū)域出現(xiàn)細小裂紋，在時間與疲勞程度遞增的情況下，擴展裂紋，增加主軸缺陷，荷載承受力減小，最終斷裂失效。

圖1　主軸斷面鏡像示意圖

當(dāng)前針對提升機主軸設(shè)計大部分是結(jié)合疲勞強度與靜態(tài)強度等特征，在增加安全系數(shù)的同時，確保安全運行，但在使用過程中主軸斷裂的事故經(jīng)常發(fā)生。傳統(tǒng)檢測方式與設(shè)計方法有很多缺陷，所以必須對主軸裂紋進行分析，避免裂紋失穩(wěn)帶來的主軸斷裂事故[3]。

3　機械設(shè)備壽命特性分析

3.1　機械設(shè)備的壽命特性

機械設(shè)備的壽命曲線主要針對的是時間曲線與機械設(shè)備故障率（如圖2所示），該曲線以浴盆的形式呈現(xiàn)，又被稱為浴盆曲線。

圖2　壽命特征曲線示意圖

從圖2我們可以發(fā)現(xiàn)，機械零件壽命可以分為三部分：第一，頻繁發(fā)生故障的初始階段T0，也就是圖中t1時刻前的階段，剛使用機械設(shè)備時，受設(shè)計缺陷、環(huán)境適應(yīng)與調(diào)試安裝等因素影響，會增加故障率，在慢慢適應(yīng)的同時，故障率明顯減小，并且趨于穩(wěn)定。第二，適應(yīng)之后的故障低發(fā)階段T1，也就是t1與t2的壽命段。對于該階段，各種性能基本協(xié)調(diào)，極少有突發(fā)情況產(chǎn)生，這也是設(shè)備工作的最佳時期。之所以圖2中顯示零故障率，是因為很多偶然故障是不可避免的，例如操作失誤、使用不當(dāng)?shù)雀黝愄厥馇闆r。第三，磨損之后頻繁發(fā)生故障的時段T2，也就是T2往后的部分。在機械設(shè)施使用時間拉伸的情況下，很多零件都會出現(xiàn)材料強度減小、嚴重磨損、物理性能降低，故障率升高等情況。針對機械設(shè)備可能出現(xiàn)的故障，診斷故障期需要結(jié)合壽命曲線與特性，及時更換或者維修零件，以此才能抑制故障率，從源頭上避免不必要的安全事故。事實上，維修對相關(guān)設(shè)備的使用周期也有影響，借助維修手段，能減少零件損耗與故障率，以達到延伸設(shè)備使用時間的目的[4]。

3.2　機械設(shè)備的全壽命特性曲線

在實踐應(yīng)用中，很多設(shè)備都需要經(jīng)歷大修來達到維持設(shè)備運行的目的。每次大修后設(shè)備使用時間與特性都會出現(xiàn)變化，所以也就得出了機械全壽命的周期性曲線。若是將幾個浴盆曲線連接在一塊，也就構(gòu)成了機械設(shè)備全壽命曲線。當(dāng)某個機械設(shè)備從開始正常使用到故障頻繁發(fā)生，說明該設(shè)備必須做好大修，而礦山機械設(shè)備在大修之后往往都會變化。另外，在機械設(shè)備使用中，受外界與內(nèi)部構(gòu)件等多種因素影響，工作狀態(tài)也會隨之變化，也就是正常與故障狀態(tài)。將機械設(shè)備從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的演變稱為狀態(tài)演變。

4　結(jié)語

做好機械壽命研究，能解決設(shè)備運行問題，這也是提升機主軸設(shè)計的根本任務(wù)。通過對主軸強度的分析，我們發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)設(shè)計方式的缺陷，為提升機主軸斷裂的研究提供了基礎(chǔ)。

[1]朱躍平，劉文民.裂紋對提升機主軸斷裂和機械壽命影響分析[J].山東煤炭科技，2015（4）：122-125.

[2]趙凌燕，薛河，薛曉峰，等.復(fù)雜載荷條件下提升機主軸的斷裂參量分析[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2012，32（2）：250-253；263.

[3]趙凌燕，薛河，焦康，等.裂紋長度對提升機主軸斷裂參量的影響分析[J].煤礦機械，2013，34（9）：110-112.

[4]郭俊杰，許艷霞，郭志偉，等.利用ANSYS對提升機主軸裂紋受力分析[J].煤礦機械，2014，35（6）：92-93.