高爐帶式輸送機改向滾筒斷軸原因分析

常藝萱 孫文峰 劉鐵鋼

（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141）

滾筒是帶式輸送機的主要部件，分為傳動滾筒和改向滾筒。改向滾筒的作用是改變輸送帶的運行方向或增加輸送帶與傳動滾筒間的圍包角，它的使用壽命嚴(yán)重影響著輸送機的正常運行。滾筒在運轉(zhuǎn)過程中發(fā)生斷裂、斷軸，造成膠帶撕裂，高爐停產(chǎn)，造成較大的經(jīng)濟損失。為防止此類事故再次發(fā)生，本文對滾筒斷軸原因進行分析，查找事故產(chǎn)生的原因，為日后的改進提供理論依據(jù)。

一、滾筒主軸及輪轂斷裂情況

1 滾筒概況

滾筒位置：高爐上料帶式輸送機拉緊滾筒。

斷裂位置：輪轂和軸。

軸和輪轂均為整體結(jié)構(gòu)，其中軸為鍛造，輪轂為鑄造。

軸的直徑為Φ438mm，材質(zhì)為45#鋼，需調(diào)質(zhì)處理，HB217-269；輪轂材質(zhì)為ZG20Mn。

2 主軸斷裂試驗分析

為分析斷裂原因，從主軸上截取部分軸的斷面送檢分析。

2.1 主軸斷口宏觀形貌分析

肉眼觀察，軸的斷面已經(jīng)生銹，呈土黃色。斷面比較平坦，無明顯的撕裂痕。從斷面上看，瞬斷區(qū)位于斷面心部，但已偏離圓心；輻射區(qū)比較平坦，占斷面大部分，可見受力不大；裂紋源從斷面上已無法清晰看到，就斷裂形式推測裂紋源可能在邊部。斷面經(jīng)過多次磨損，局部位置存在細小的疲勞條紋，斷口為疲勞斷口。

2.2 軸的電鏡斷口形貌分析

取斷面試樣發(fā)現(xiàn)邊部斷口已經(jīng)磨損，無法觀測其微觀形貌，未見加工刀痕。

2.3 軸的金相組織觀察

從端口邊部至心部依次取幾塊金相試樣，進行軸的基體材質(zhì)微觀觀察。試樣中有硫化物、氧化物夾雜及氮化物夾雜（紅棕色），硫化物和氧化物級別不高，氮化物較嚴(yán)重。軸的邊部組織為珠光體+鐵素體+少量魏氏組織，軸的基體及心部組織均為珠光體+鐵素體組織。從軸的邊部往心部，組織變化不大，只是鐵素體含量逐漸增高。

表1 軸的化學(xué)成分

2.4 軸的化學(xué)成分測試

從軸上取樣，用直讀光譜進行其成分測試，其成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T699-1999 中45#鋼的成分要求，見表1。

2.5 軸的硬度測試

經(jīng)測試，軸表面硬度HBW 為249、250 和250，基體硬度HBW 為235、244和228，均滿足設(shè)計要求。

2.6 軸的低倍酸侵蝕試驗

取軸部分基體橫截面進行低倍酸侵蝕試驗，檢驗其低倍組織。侵蝕后未發(fā)現(xiàn)氣泡、裂紋等明顯低倍缺陷。

3 輪轂的材質(zhì)分析

取輪轂試樣進行金相組織分析，發(fā)現(xiàn)輪轂中有較多的顯微孔隙和沿晶分布的夾雜物，夾雜物主要含有Al、O、S 和Mn 等元素。侵蝕后，輪轂組織為粗大的鐵素體+珠光體+魏氏組織。

4 試驗結(jié)果分析

經(jīng)過推測軸的斷口為高周低應(yīng)力疲勞斷口。軸在發(fā)現(xiàn)斷裂前可能局部已發(fā)生斷裂，先斷裂的斷面在空氣中氧化、生銹。

據(jù)圖紙要求，軸需要進行調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理后，其邊部組織應(yīng)為回火索氏體，以保證其較高的強度和硬度要求，與組織觀察結(jié)果不符。軸中還發(fā)現(xiàn)有較嚴(yán)重的氮化物夾雜，氮化物夾雜呈塊狀，不易變形，會影響軸的疲勞性能。

輪轂為鑄造形成，觀察時發(fā)現(xiàn)存在顯微孔隙。顯微孔隙的存在會顯著降低其力學(xué)性能，使用過程中顯微孔隙可能會成為疲勞源而導(dǎo)致疲勞斷裂。夾雜物沿晶分布，會明顯弱化晶界，降低材料整體強度，加速輪轂的斷裂。

二、從設(shè)計角度對改向滾筒進行校核

1 原始參數(shù)

（1）工藝參數(shù)：帶寬：B=2200mm；帶速：V=2m/s。

（2）載荷參數(shù)：合張力：F=1112kN。

（3）結(jié)構(gòu)參數(shù)：滾筒直徑：D= 1370mm；軸承中心距：L=3200mm。

軸承座中心到接盤中心的距離a=515mm。

軸承處軸徑d1=400mm；輪轂處軸徑d0=440mm。

（4）壽命參數(shù)：軸承設(shè)計壽命Lh=50000 小時。

（5）計算簡圖如圖1 所示。

2 校核軸的剛度

（1）校核輪轂處轉(zhuǎn)角θp（[θp]=3）

滿足剛度要求。

滿足剛度要求。

3 校核輪轂斷裂處軸的強度[σ]= 50N/mm2

滿足強度要求。

二、從熱處理工藝角度對改向滾筒進行分析

淬火加高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理。淬火所得到的組織是馬氏體，高溫回火后為回火索氏體。不同的鋼種，接受淬火的能力不同，因而淬成馬氏體組織的深度即淬透層深度也就不同。鋼的淬透性通常用淬火臨界直徑來衡量。淬火臨界直徑越大，淬透性越好。

改向滾筒軸的材質(zhì)為45#鋼，45#鋼在靜油中完全淬透的臨界直徑是10mm。但是，對于相同材質(zhì)的零件，零件尺寸越大，內(nèi)部熱容量越大，淬火時零件冷卻速度越慢，因此，淬透層就越薄。改向滾筒軸的斷裂處直徑為438mm，所以該軸斷裂處的淬透層深度小于5mm。

另外，在檢測報告中發(fā)現(xiàn)非常關(guān)鍵的一點：軸中有較嚴(yán)重的氮化物夾雜即非金屬夾雜物，非金屬夾雜物呈塊狀。由于大鍛件是由大型的鋼錠鍛制而成，鋼錠越大，其氣體、雜質(zhì)的含量越高，偏析、疏松、縮孔、非金屬夾雜物等組織和成分的不均勻性也越嚴(yán)重，并且由于鋼錠大，鍛造時往往不能鍛透，這些冶金缺陷便不同程度地殘留在鍛件中，夾雜物在熱處理過程中不能被消除。在鍛件加熱和冷卻時，由于夾雜物和基體金屬的熱膨脹特性不同，二者之間會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力將會對大鍛件的機械性能如強度、塑性和韌性等產(chǎn)生負(fù)面影響，甚至使鍛件淬火開裂。所以軸中含有較嚴(yán)重的氮化物夾雜是導(dǎo)致改向滾筒軸斷的直接原因之一。

三、從工藝角度對斷軸及輪轂斷裂分析

1 斷軸

軸于R0.5 倒角處斷裂，從產(chǎn)品制造加工方面考慮R0.5 數(shù)值較小，加工過程中容易形成尖角而不是倒角，此處又為與接盤聯(lián)接處，為滾筒主要受力部位，因此存在從尖角處斷軸的危險。

2 接盤斷裂

接盤于輪轂根部斷裂，斷口為鑄件原色，并無銹蝕處，而軸斷口處已經(jīng)全部生銹，分析原因為軸先斷裂，斷軸帶動接盤長時間旋轉(zhuǎn)最終導(dǎo)致接盤于輪轂薄弱處根部斷裂。

結(jié)語

通過分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）高爐用帶式輸送機，坡度大，運量大，頻繁的重負(fù)荷停車或啟動，使軸承受較大的交變沖擊載荷，容易發(fā)生疲勞破壞。應(yīng)加強輸送機的管理，避免頻繁啟動停車，尤其是重負(fù)荷停車或啟動。

（2）軸肩過渡處，圓角半徑太小，造成應(yīng)力集中較高。應(yīng)提高機加工質(zhì)量，適當(dāng)加大圓角半徑，并采用局部表面滾壓強化的方法，提高疲勞壽命。

（3）滾筒軸的熱處理質(zhì)量差，軸的材質(zhì)一般，熱處理后達不到設(shè)計的強度要求。受力較大的滾筒軸應(yīng)選用淬透性較好的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，并且要避免軸頸變化的過渡處位于熱處理的熱影響區(qū)內(nèi)。

[1]中國機械工程學(xué)會熱處理學(xué)會.熱處理手冊（第4 版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2]毛繼新.DP-340 皮帶輸送機滾筒軸頸斷裂的原因分析[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2005（18）：261-262.