煤粉細碎機轉軸斷裂原因分析

張雪超，張 濤，陳 浩，李 紅，圖 嘎

（內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

某電廠細碎機啟動后，值班員發現4號皮帶攝像頭全是煤粉，隨即停止細碎機運行，并聯系運行人員就地檢查，發現細碎機液耦飛出至細碎機東墻處，細碎機轉子軸斷裂。該煤粉細碎機轉軸材質為45鋼，直徑為140 mm。為探究該轉軸斷裂的原因，防止此類事件發生，采用外觀形貌分析、化學成分分析、力學性能檢測、顯微組織檢測及斷口微區分析等試驗方法進行綜合分析。

1 檢驗方法與分析

1.1 宏觀形貌檢驗與分析

對斷裂的煤粉細碎機轉軸進行宏觀形貌檢驗。煤粉細碎機轉軸斷裂于直徑由140 mm向132 mm突變的變截面周向卡槽的倒角部位，倒角部位加工較為粗糙且未見明顯的過渡圓角；斷口表面整體較為齊平，未見明顯的塑性變形，斷口上初始斷裂區、裂紋擴展區及瞬斷區等特征區域清晰可辨；在斷口擴展區，可見較為清晰的疲勞條紋。斷口表面機械損傷較為嚴重，但仍可看出斷口表面大部分區域為擴展區，最后瞬斷區所占面積僅為斷口總面積的10%；說明轉軸是在高周低應力載荷狀態下發生的疲勞斷裂。煤粉細碎機轉軸整體及斷口宏觀形貌如圖1所示。

1.2 斷口微區檢測與分析

利用掃描電子顯微鏡（SEM）對煤粉細碎機轉軸斷口進行檢測。斷裂起始于軸體變截面的尖銳倒角部位，斷口大部分區域以疲勞的方式進行擴展，局部伴有二次撕裂形貌；瞬斷區域則呈現較為明顯的脆性解理斷裂形貌，如圖2所示。

圖1 煤粉細碎機轉軸整體及斷口宏觀形貌

圖2 煤粉細碎機轉軸斷口SEM形貌

1.3 化學成分檢測與分析

按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定 火花源放電原子發射光譜法（常規法）》［1］要求，利用 SPECZROMAXx 型臺式直讀光譜儀，對煤粉細碎機轉軸取樣進行化學成分檢測，檢測數據見表1。結果表明，煤粉細碎機轉軸化學成分中各元素含量與GB/T 699—2015《優質碳素結構鋼》中45鋼的化學成分含量相符。

表1 煤粉細碎機轉軸45鋼化學成分質量分數 %

1.4 顯微組織檢測與分析

按照DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗與評定技術導則》［2］要求，利用 Axio Observer.A1m 型金相顯微鏡對煤粉細碎機轉軸取樣進行金相顯微組織檢測。可以看出，煤粉細碎機轉軸整個橫截面上的組織均為珠光體和沿晶界分布的網狀鐵素體，平均晶粒度為7級，組織局部存在帶狀偏析，偏析帶處存在較為嚴重的夾雜物，夾雜物為2級粗系硫化物，如圖3所示。

圖3 斷裂的煤粉細碎機轉軸各部位組織

1.5 力學性能檢測與分析

按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗第1 部分：試驗方法》［3］要求，利用 CMT5305 型電子萬能試驗機，對斷裂煤粉細碎機轉軸進行常溫拉伸性能檢測；按照GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》［4］要求，利用沖擊試驗機，對斷裂的煤粉細碎機轉軸取樣進行沖擊試驗，檢測結果見表2?？梢钥闯觯悍奂毸闄C轉軸的屈服強度和抗拉強度低于標準要求；斷后伸長率和沖擊吸收功符合標準要求。

表2 轉軸各項常溫力學性能測試結果（20℃）

2 結果與討論

煤粉細碎機轉軸存在8 mm臺階變截面且倒角部位加工粗糙，形成明顯的應力集中區域；斷口截面斷裂特征區域明顯，且在斷口擴展區，可見清晰疲勞條紋，說明轉軸是在循環載荷下發生疲勞斷裂。

設備運行過程中，轉軸作為動力傳遞的關鍵部位，既承受沿軸向的拉應力，又承受轉動過程中產生的切應力，同時在運行設備的振動中也會有彎曲應力，而該轉軸的屈服強度和抗拉強度明顯低于標準要求，長時間的拉伸和彎曲下，該轉軸無法承受應力，便萌生裂紋源。

此外，轉軸基體組織中存在帶狀偏析，偏析帶處存在較為嚴重的夾雜物，破壞了材料的完整性，會嚴重降低材料基體的強度和韌性；使得轉軸材料的韌性儲備不足，抵抗疲勞開裂與抗裂紋擴展的能力較弱。

3 結論與建議

本次煤粉細碎機轉軸斷裂的主要原因有以下兩點：軸體的變截面處未設置過渡倒角且加工粗糙，使得該位置存在較為嚴重的應力集中［5］；軸體材料加工階段未進行調質熱處理［6］，造成轉軸組織狀態及力學性能均不符合標準要求。煤粉細碎機轉軸運行過程中，在以循環扭轉載荷為主的復雜工況作用下，在變截面的應力集中部位形成裂紋缺陷，并快速擴展引發軸體高周低應力水平的疲勞斷裂［7－8］。

為避免再次發生類似轉軸斷裂失效事件，首先，應從進貨源頭控制碎煤機轉軸材料的質量，選用經合格熱處理工藝、組織和性能合格的材料制作的轉軸；其次，轉軸上變截面部位的機械加工應嚴格按照設計要求進行過渡，并提高加工精度；最后，應避免極端工況的出現，避免煤粉細碎機轉軸承受異常載荷，以免再次出現類似轉軸斷裂失效事件。