帶式輸送機(jī)滾筒軸斷裂失效分析

朱慧慧, 羅小平(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣州 510640)

帶式輸送機(jī)滾筒軸斷裂失效分析

朱慧慧, 羅小平
(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣州 510640)

某快遞物流公司的帶式輸送機(jī)用滾筒軸在運(yùn)轉(zhuǎn)時經(jīng)常發(fā)生斷裂，嚴(yán)重影響物流線的正常運(yùn)行。通過宏觀分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡斷口分析、化學(xué)成分分析以及受力分析等方法，對滾筒軸斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：由于滾筒軸未進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，降低了材料的強(qiáng)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(yīng)力集中嚴(yán)重;滾筒軸在工作中處于不停的運(yùn)轉(zhuǎn)中，極易在軸肩角應(yīng)力比較集中的位置發(fā)生疲勞斷裂。最后提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

滾筒軸;疲勞斷裂;調(diào)質(zhì)處理;應(yīng)力集中

軸是工程設(shè)備中最常見的傳動零件之一，通常承受彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷或彎扭復(fù)合載荷，在一些特殊的機(jī)構(gòu)中，也承受拉壓載荷[1-2]。在實(shí)際使用中，軸在工作過程中處于不停的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，可能會由于材料、疲勞、扭轉(zhuǎn)、彎曲、應(yīng)力等因素發(fā)生疲勞斷裂失效，直接影響設(shè)備的正常安全運(yùn)行[3]。

某機(jī)械設(shè)備公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的滾筒軸，主要應(yīng)用在快遞公司物流輸送設(shè)備中。該滾筒軸在實(shí)際運(yùn)行一段時間后，出現(xiàn)大量斷裂失效現(xiàn)象，斷裂均發(fā)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(yán)重影響了快遞公司物流線的正常運(yùn)行，而且造成了大量的資源浪費(fèi)。

滾筒軸結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，可見斷裂發(fā)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(jù)經(jīng)驗(yàn)，初步認(rèn)定滾筒軸失效的原因有以下幾個：滾筒軸設(shè)計(jì)不合理，造成局部應(yīng)力過大；滾筒軸加工工藝不合理或者未達(dá)到要求；材料內(nèi)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(yùn)行，同時為改進(jìn)滾筒軸設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)提供參考意見，筆者對斷裂滾筒軸進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

圖1 滾筒軸結(jié)構(gòu)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(yàn)

1.1 宏觀分析

根據(jù)斷裂性質(zhì)，斷口可分為：脆性斷口、韌性斷口、疲勞斷口和由介質(zhì)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(fā)生塑性變形，沒有變形預(yù)兆，是在長期損傷累積過程中，經(jīng)裂紋萌生和緩慢擴(kuò)展到臨界尺寸時才突然發(fā)生的，是一種潛在的突發(fā)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(kuò)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(qū)域：圖3中1區(qū)為疲勞源區(qū)，2區(qū)為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，3區(qū)為瞬斷區(qū)，其中疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)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(cè)面形貌見圖4，可見粗糙的加工刀痕。由于在實(shí)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(yīng)力集中位置，這些因素綜合作用，使?jié)L筒軸臺階過渡處的應(yīng)力集中非常嚴(yán)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(cè)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(qū)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(kuò)展中相遇，裂紋前沿因阻力不同而發(fā)生擴(kuò)展方向的偏離，因此裂紋形成后在各自平面上不斷擴(kuò)展，不同斷裂面相互交割而形成臺階，這種臺階在斷口上構(gòu)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(kuò)展，圖5(b)為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口微觀形貌，可見疲勞輝紋和二次裂紋。圖5(c)為瞬斷區(qū)斷口微觀形貌，呈解理+準(zhǔn)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(yàn)

分別在圖3所示的斷裂滾筒軸邊緣和內(nèi)部取金相試樣，并取1號試樣的內(nèi)側(cè)面和2號試樣的橫截面作為金相磨制面。試樣經(jīng)磨制、拋光、4%硝酸酒精溶液(體積分?jǐn)?shù))侵蝕后在光學(xué)顯微鏡下觀察。試樣顯微組織為珠光體+呈網(wǎng)狀分布的鐵素體，如圖6所示。可見滾筒軸材料未進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，這會大大降低材料的強(qiáng)度和疲勞性能，加快滾筒軸疲勞斷裂的進(jìn)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(xué)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(fā)射光譜儀通過光譜法分析其化學(xué)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(shù)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(zhuǎn)驅(qū)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(xiǎn)截面。通過下面兩式分別計(jì)算出危險(xiǎn)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(jì)算截面處所受彎矩，N·m;L1為幅板至軸承中心的距離，m。

實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全化的一種技術(shù)理念，即本質(zhì)安全設(shè)計(jì)，是指通過選擇安全的物料、機(jī)械設(shè)備、工藝路線等控制危險(xiǎn)源的一種基本方法，在源頭上消除或者控制危險(xiǎn)事故的發(fā)生，并不依賴安全防護(hù)措施去控制它們。根據(jù)本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的原則，按強(qiáng)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(jī)輸入扭矩；[τ]為滾筒軸材料的切應(yīng)力，取[τ]=60 MPa；φ為系數(shù)，取φ=0.9；P為電機(jī)功率，kW；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1。

由式(3)得出D≥75 mm,與滾筒軸的最初設(shè)計(jì)直徑60 mm相差比較顯著。因此滾筒軸的設(shè)計(jì)尺寸有待改進(jìn)，從而改善各薄弱環(huán)節(jié)，提高軸的疲勞強(qiáng)度。

表1 滾筒軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(yīng)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(wǎng)格劃分和自由網(wǎng)格劃分，在軸承位置施加軸向位移和z軸轉(zhuǎn)動約束，約束其他自由度，施加載荷求解結(jié)果如圖8所示，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在幅板與軸連接位置，并且接近軸直徑變化位置。結(jié)合前述滾筒軸受力分析，在考慮經(jīng)濟(jì)成本范圍內(nèi)，改變滾筒軸直徑，再利用模擬軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)應(yīng)變變化不大，應(yīng)力降低20%左右，由此說明結(jié)合本質(zhì)安全設(shè)計(jì)理論減小應(yīng)力是行之有效的。

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

圖9 滾筒軸應(yīng)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(yīng)力發(fā)現(xiàn)，最大計(jì)算應(yīng)力范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于疲勞應(yīng)達(dá)到的值，隨后研究軸肩角圓角半徑這個參數(shù)對應(yīng)力大小的影響。發(fā)現(xiàn)隨著圓角半徑的減小，應(yīng)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(shí)際加工中會形成一個尖銳的角落，模擬得出的應(yīng)力范圍高于當(dāng)圓角半徑為4 mm時的應(yīng)力范圍的83%，該值相差比較顯著。軸材料的持久強(qiáng)度極限通常被認(rèn)為是其抗拉強(qiáng)度的0.46[10]，可以估計(jì)為262 MPa，可見最大計(jì)算出的應(yīng)力水平是相當(dāng)高的。

3 分析與討論

由斷口分析結(jié)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(yīng)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(jìn)一步加劇了該處的應(yīng)力集中，因而極易在該處萌生疲勞裂紋。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，滾筒軸未進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，大大降低了材料的強(qiáng)度和疲勞性能，加快了疲勞裂紋的擴(kuò)展。滾筒軸在工作中處于不停旋轉(zhuǎn)運(yùn)作狀態(tài)，裂紋萌生后在工作過程中的交變應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展，當(dāng)剩余截面強(qiáng)度不足以承受外部載荷作用時，滾筒軸便會發(fā)生快速斷裂。

4 結(jié)論及建議

該滾筒軸斷裂屬于脆性疲勞斷裂，導(dǎo)致其斷裂的內(nèi)在原因是滾筒軸材料未進(jìn)行調(diào)質(zhì)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(yùn)轉(zhuǎn)時，在軸徑變化處先出現(xiàn)裂紋，然后向四周不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致滾筒軸發(fā)生脆性疲勞斷裂。

建議改進(jìn)滾筒軸加工工藝，增大過渡圓角半徑，提高軸表面質(zhì)量，減輕應(yīng)力集中；同時對滾筒軸進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，提高滾筒軸的強(qiáng)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(chǔ)理論與ANSYS應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3] 楊可楨,程光蘊(yùn),李仲生.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].5版.北京:高等教育出版社,2006.

[4] 謝?；?42號自卸車銷軸斷裂失效分析及研究[D].湘潭:湘潭大學(xué),2007.

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

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

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

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

[9] 謝東,張樹勛,李后軍,等.調(diào)質(zhì)鋼的組織分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),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(jī)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