軸類(lèi)零件的修復(fù)方法和應(yīng)用

李樹(shù)林

（玉溪礦業(yè)有限公司，云南 玉溪 653100）

1 軸類(lèi)零件的作用及要求

軸是各類(lèi)機(jī)械中的重要零件，它的作用是支持回轉(zhuǎn)零件（比如齒輪、帶輪等），使回轉(zhuǎn)零件具有確定的工作位置，并傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩。

按軸線分，可將軸分為直軸、曲軸、撓線鋼絲軸。一般按作用的不同，軸又分為軸頭、軸頸、軸身。軸類(lèi)零件一般都要進(jìn)行下料、鍛造、粗加工、熱處理、精加工（熱處理、精加工），礦山的軸類(lèi)零件主要進(jìn)行下料、粗加工、熱處理、精加工。

一般情況下，軸必須具有足夠的強(qiáng)度、合理的加工性和良好的工藝性，同時(shí)根據(jù)不同的使用要求還要有足夠的剛度。軸和裝在軸上的零件應(yīng)有準(zhǔn)確的同向性和軸向定位，且軸上零件便于拆卸和調(diào)整，以及軸向力合理，有利于節(jié)約材料和成本，同時(shí)應(yīng)避免應(yīng)力集中造成對(duì)軸的破壞。

2 軸類(lèi)材料的發(fā)展

軸類(lèi)材料的發(fā)展，首先是用木材制軸，后用銅或鐵制軸。隨著冶煉技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了碳鋼、合金鋼、合金鑄鐵、球墨鑄鐵，后又有塑料軸、復(fù)合材料軸等。

目前，軸類(lèi)零件的材料主要是碳素鋼和合金鋼，隨著科技的發(fā)展，一些高強(qiáng)度的塑性材料和復(fù)合材料逐步代替部分軸類(lèi)零件，一些合金鑄鐵、球墨鑄鐵所制成的外形復(fù)雜的軸（比如曲軸、空心軸、凸輪軸等）已應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)之中。

合金鋼的發(fā)展極大地豐富了軸類(lèi)材料，最常用的材料是40Cr、45#鋼。另外，低合金鋼，比如37SiMn2MoV等也在大型設(shè)備軸類(lèi)上廣泛應(yīng)用，比如大紅山銅礦PXZ-900/130-A旋回破碎機(jī)就使用了37SiMn2MoV作為主軸的材料。一般情況下，只有在傳遞大動(dòng)力并要求減輕質(zhì)量和減少尺寸或需要提高軸頸（用滑動(dòng)軸承時(shí)）耐磨性，或處于非常溫（高溫或低溫）、腐蝕條件下應(yīng)用合金鋼制軸。一般碳素鋼比合金鋼價(jià)格低，

對(duì)應(yīng)力集中的敏感性也低，同時(shí)還能通過(guò)熱處理和化學(xué)處理的辦法提高其耐磨和抗疲勞強(qiáng)度，因此應(yīng)用最為廣泛。

3 軸類(lèi)零件失效的形式及修復(fù)方法

3.1 磨損失效

相互運(yùn)動(dòng)的表面都存在著磨損，磨損是表面相互磨擦的結(jié)果。根據(jù)宏觀磨擦學(xué)理論，磨擦系數(shù)f的計(jì)算式為：

從式（1）可以看出，任何軸的表面（即使是經(jīng)過(guò)精密加工的表面）都是凸凹不平的，這種表面利于形成潤(rùn)滑油膜，但同時(shí)又易于磨損，導(dǎo)致失效。此類(lèi)情況在礦山較為常見(jiàn)，比如球磨機(jī)小齒輪軸的磨損、空壓機(jī)曲軸的磨損、礦車(chē)軸的磨損等。

3.2 斷裂（折斷）

軸的斷裂常造成其他部位的損壞，導(dǎo)致其他部件失效。斷裂分為疲勞斷裂、過(guò)負(fù)荷斷裂、應(yīng)力集中斷裂和破壞性折斷4種形式。大紅山礦6#皮帶機(jī)減速機(jī)高速軸的斷裂及PXZ-900/130-A旋回破碎機(jī)主軸的斷裂就屬于應(yīng)力集中造成的斷裂，常見(jiàn)的修復(fù)方法有焊接、用鍵和銷(xiāo)接軸、黏結(jié)等。

3.3 其他失效形式

其他失效形式有腐蝕、變形，在礦山生產(chǎn)中這兩種也較常見(jiàn)，比如豎井的搖臺(tái)、隔篩、梯子間、罐籠、罐道繩、尾繩、平衡繩等。對(duì)于軸類(lèi)失效的處理方法一般有去除材料處理和不去除材料處理方法，這兩種方法都較為常用。另外，其他主要方法有堆焊、鑲套、修補(bǔ)劑修復(fù)、涂鍍、刷鍍、使用填充劑等。

4 軸類(lèi)零件失效后修復(fù)的應(yīng)用

大紅山銅礦DCY-50-IIS皮帶機(jī)（6#）減速器高速軸斷裂，造成選礦系統(tǒng)中斷。由于此類(lèi)傳動(dòng)方式為垂直傳動(dòng)，斷裂的高速軸為圓錐弧齒輪軸，無(wú)備件，省內(nèi)任何一個(gè)廠家都無(wú)法生產(chǎn)，若到原廠家（沈陽(yáng)重型機(jī)械廠）加工，然后運(yùn)到大紅山銅礦，需用一個(gè)月的時(shí)間，整個(gè)選廠面臨長(zhǎng)時(shí)間停產(chǎn)，每天損失銅精礦50 t和鐵精礦1 500 t，按照市場(chǎng)銅價(jià)48 000元/t和鐵精礦580元/t計(jì)算，一個(gè)月銅精礦的經(jīng)濟(jì)損失7 200萬(wàn)元，鐵精礦的經(jīng)濟(jì)損失2 610萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)損失不可估量，因而必須及時(shí)研究和制訂處理方案。

4.1 軸的結(jié)構(gòu)及斷裂部位

注：A-A為斷裂面，圓錐弧齒輪齒數(shù)16，模數(shù)5，相配合的齒輪齒數(shù)51齒。

減速機(jī)銘牌標(biāo)注：裝配方式2S，中心距400，速比50，質(zhì)量2 022 kg，出廠日期1995-06.

電機(jī)銘牌標(biāo)注：型號(hào)Y315S-6，功率75 kW，電壓380 V，轉(zhuǎn)速990 r/min，頻率50 Hz，出廠日期1996-01.

4.2 斷裂原因分析

斷軸的原因：①軸承部位磨損后對(duì)該軸進(jìn)行了堆焊處理（采用T422焊條），形成應(yīng)力集中；②在安裝過(guò)程中，電機(jī)地腳螺栓未緊固，造成該軸折斷。具體如圖1所示，A-A斷面既是斷裂處，又是堆焊部位。

圖1 斷裂部位圖

4.3 修復(fù)方法

經(jīng)過(guò)對(duì)該軸研究分析，決定采用焊接、過(guò)硬配合與直銷(xiāo)連接的方式進(jìn)行處理，如圖2所示。

圖2 焊接及銷(xiāo)軸連接方式

4.4 修復(fù)后的強(qiáng)度計(jì)算

由圖2可知，上述修復(fù)方法均采用了電焊聯(lián)結(jié)、銷(xiāo)子聯(lián)結(jié)、過(guò)盈聯(lián)結(jié)，通過(guò)這3種聯(lián)結(jié)來(lái)傳遞扭矩，我們只要校核其中的一種滿足要求即可。

4.4.1 受轉(zhuǎn)矩作用下填角焊縫強(qiáng)度計(jì)算

參照：《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版上冊(cè)P311，冶金工業(yè)出版社。其中，轉(zhuǎn)矩T＝9.55×106×P/n＝9.55×106×75/990＝723 500 N·mm。

上式中：R為軸半徑，取32.5 mm；K為焊縫長(zhǎng)度，取10 mm；P為電機(jī)功率，取75 kW；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，取990 r/min。

則：TP＝615 N/mm2＝615 MPa，TP′＝0.6σS/S.

45#鋼屬中碳鋼，查表得：σS＝274 MPa，S＝2.2，則：TP′＝75 MPa。

結(jié)果表明：TP≥TP′，焊縫傳遞轉(zhuǎn)矩不能滿足要求。

計(jì)算表明：?jiǎn)我坏暮附犹幚聿荒軡M足傳遞轉(zhuǎn)矩的需要，這就是斷軸的原因。

4.4.2 銷(xiāo)聯(lián)結(jié)傳遞扭矩的剪切強(qiáng)度計(jì)算

參照：《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版上冊(cè)P311，冶金工業(yè)出版社。

式（3）中：T為轉(zhuǎn)矩，T＝9.55×106×P/n＝9.55×106×75/990＝723 500 N·mm；d為銷(xiāo)子直徑（Φ16 mm）；D為穿過(guò)軸的直徑（Φ65 mm）。

則：T＝55.4 N/mm2＝55.4 MPa。

45#鋼屬中碳鋼，查表得：T＝80 MPa。

結(jié)果表明：T≤TP，銷(xiāo)聯(lián)結(jié)傳遞扭矩能滿足要求。

4.4.3 過(guò)盈量傳遞轉(zhuǎn)矩的最小過(guò)盈量計(jì)算

參照：《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版上冊(cè)P279，冶金工業(yè)出版社。

其中，Pmin＝2T/πfd2L.

上式中：T為轉(zhuǎn)矩，T＝9.55×106×P/n＝9.55×106×75/990＝723 500 N·mm；f為磨擦系數(shù)，取0.1；d為配合軸的直徑，取65 mm；L為過(guò)盈量配合的長(zhǎng)度，取150 mm。

由于銷(xiāo)聯(lián)結(jié)、電焊聯(lián)結(jié)較短處的過(guò)盈配合長(zhǎng)度只有60 mm，則L取60 mm也較為合理。

Pmin＝18.2 MPa，經(jīng)查表，彈性模量E1＝E＝2.0×1011.c1＝0.7，c2＝5.473（按d/d2＝65/80＝0.812 5 計(jì)算得），則：δmin＝1.82×107×0.065×6.173/（2.0×1011）＝0.036 5 mm。

實(shí)際過(guò)盈量為0.29 mm。

結(jié)果表明：過(guò)盈量傳遞轉(zhuǎn)矩的最小過(guò)盈量能滿足要求。

若按Pminx2＝ασS2計(jì)算，其中α＝0.183 3，σS2＝294 MPa，

則：Pminx2＝53.809 2 MPa。

δminx2＝Pminx2d（c1/E1＋c2/E2）＝53.809 2×106×0.065×6.173/（2.0×1011）＝0.11.

實(shí)際過(guò)盈量為0.29 mm。

結(jié)果表明：過(guò)盈量傳遞轉(zhuǎn)矩的最小過(guò)盈量能滿足要求。

5 結(jié)論

本次修復(fù)時(shí)間只用了20 h，修復(fù)費(fèi)用3 600元。試車(chē)后，設(shè)備運(yùn)行狀況平穩(wěn)，現(xiàn)已安全運(yùn)行6年多，修復(fù)部位尚未發(fā)現(xiàn)有異常情況，說(shuō)明修復(fù)是成功的。實(shí)踐證明，通過(guò)對(duì)該傳動(dòng)軸的修復(fù)，既滿足了設(shè)備的安全運(yùn)行要求，又降低了選廠長(zhǎng)周期停產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，使經(jīng)濟(jì)損失降低到最小。因此，探索和研究軸類(lèi)零件的修復(fù)方式，可以最大限度地獲得經(jīng)濟(jì)效益。

［1］張友誠(chéng).現(xiàn)代設(shè)備綜合管理［M］.北京：奧林匹克出版社，2003.

［2］陳后宋.現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備管理［M］.杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

［3］李德源，楊華龍.現(xiàn)代設(shè)備經(jīng)濟(jì)管理［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［4］成大先.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1979.