MYQ5585球磨机齿轮轴崩齿分析及现场修复

左池舟

(铜陵有色稀贵金属分公司， 安徽 铜陵 5867064)

MYQ5585球磨机齿轮轴崩齿分析及现场修复

左池舟

(铜陵有色稀贵金属分公司， 安徽 铜陵 5867064)

介绍了球磨机齿轮轴断裂崩齿的原因，采用电脉冲冷补焊工艺进行技术修补，实现了崩齿部位的精确再制造。

球磨机； 齿轮； 断裂崩齿； 电脉冲冷补焊工艺

0 前言

铜陵有色集团下属某铜炉渣选矿厂φ5.5×8.5 m溢流型球磨机运行期间小齿轮突然发生崩齿现象，停机检修时发现与大齿轮啮合的小齿轮有两处齿已断裂崩齿。检查分析表明小齿轮运行时，轴承端面固定挡块脱落进入轴承内部，造成重载齿轮轴偏载导致局部应力集中，形成裂纹源，裂纹源在交变应力作用下疲劳扩展形成裂纹最终导致轮齿断裂崩齿。由于现场没有齿轮轴备件，如重新加工制作，则至少需3个月，无法满足企业正常生产的要求。经分析论证，决定采用齿面补焊的工艺对轮齿进行现场焊接修复。

1 断齿情况

φ5.5×8.5 m溢流型球磨机齿轮轴为S17Cr2Ni2Mo优质渗碳钢(对应德国标准：17CrNiMo4)，其经过渗碳—淬火—磨齿处理，表面硬度为57～62 HRC，渗碳层深度为3～5 mm；加工精度为6级；齿轮模数为28，齿数为21，齿宽910 mm渐开线斜齿，轴承为SKF。该齿轮在发生瞬时冲击后，振动瞬时超标报警，并立即停车。经检查发现该齿轮两处轮齿崩裂。

1.1 原因分析

现场检测发现齿面左端面侧隙比右端小2～3 mm，齿轮轴存在严重左侧单向偏载情况，外力对齿面产生很大的负荷。A、B齿断裂面均在左端，崩落体长150 mm，宽80 mm，深5～35 mm，反应了齿疲劳源位置可能是左端面，受到偏载的影响而引发断裂。

通过宏观端口分析初始的疲劳源、交变载荷作用下裂纹稳定发展的疲劳扩展区以及最后的失稳断裂阶段的瞬断区，确认崩齿属于疲劳断裂。A齿面与B齿裂纹的裂纹源区域无明显的崩裂口和挤压痕迹(见图1)，即不存在硬质异物进入齿轮啮合面的情况。

为了制定正确的焊接工艺，须先对齿轮轴的成份进行物理分析化验，对热处理后齿轮表面硬度进行检测，为焊材选择、焊接工艺评定提供依据。

1.2 理化检验分析

在断齿上面钻取铁屑做化学分析，结果如表1。并对齿表面进行布氏和洛氏硬度检测结果显示：检测表面硬度60 HRC；表面渗碳层厚度3.5 mm；芯部硬度检测36.5 HRC。

表1 S17Cr2Ni2Mo化学组成 单位：%

从表1数据及物理检测数据可知,齿轮轴断齿化学成分基本符合标准规定,硬度满足设计要求[1]。

2 现场焊接修复

目前断齿焊接修复技术存在易产生热裂纹、冷裂纹、过热区脆化、热影响区软化等问题[2]，只有极少数企业在实践中对大型齿轮(轴)成功进行了局部修复。除再造齿轮部位需达到或接近小齿轮本身的硬度之外，齿形形状及尺寸和位置公差要符合图纸要求。针对该齿轮轴崩齿情况，提出了采用“电脉冲冷补焊工艺”进行修补[3]，实现了崩齿部位精确再造。该技术的优点是焊接输入热量小、热影响范围很小、对齿轮崩齿面进行打磨处理后就可以直接堆焊，不受断齿面形状限制。堆焊后齿形接近原齿形尺寸，修磨工作量小，适用于重载齿轮大面积断齿的修复。

2.1 修复工艺

2.1.1 齿面修复施工器具及修补材料

(1)齿表面修复检测量具：刀口尺、外径千分尺、标准齿面样板。

(2)修复设备：电脉冲冷补焊机2台。

(3)修补材料：镍铬合金焊丝、304不锈钢焊丝、优质碳素结构钢焊丝。

(4)加工工具：采用角向磨光机、抛光机、研磨油石、刮刀。

2.1.2 焊前准备

(1)焊接前，应将补焊区域周围20 mm范围内的油漆、铁锈等污物清理干净。

(2)崩齿部位切削、打磨和着色探伤，探伤的基本原理是利用毛细现象使渗透液渗入缺陷，经清洗去除表面渗透液，再利用显像剂的毛细管作用吸附出缺陷中残瘤渗透液而达到检验缺陷的目的。如图所示缝隙残瘤渗透液显示为有裂纹源(见图2)，继续打磨探伤直至无渗透液显现。

图2 渗透法裂纹检测

2.2 焊接工艺

2.2.1 工艺

(1)用丙酮和钢丝刷清洗缺陷部位及周围残留的探伤着色剂、油污、水等杂物。

(2)将断齿部位转至水平位置，用砂轮打磨平滑直至没有尖角，对断齿进行磁性材料或着色探伤确定断齿没有裂纹。

(3)利用电脉冲冷补焊技术进行齿面修复。整个施工过程对齿轮体输入热量非常小，使齿面基体组织和性能发生变化的热影响区很小，几乎不产生热应力和变形。

(4)选用能与齿轮基体材料冶金特性相结合的材料[3]，保证结合强度高，硬度与齿面硬度相符，修复后的齿轮精度完全满足运行工况要求。

(5)镍铬合金焊丝、304不锈钢焊丝、优质碳素结构钢焊丝逐层交替焊接(如图3)。焊接电流90～120 A，快速施焊，焊条不做横向摆动。除第一层和最后一层外，其余焊缝焊完后用锤击焊道，确保焊接后齿面综合力学性能较好。

(6)齿面修复后打磨并着色检测裂纹。

图3 逐层堆焊接成型

2.2.2 小齿轮表面焊补层质量检验

(1)外观检验：电脉冲焊补层，应均匀致密，无起泡、脱落，色泽均匀一致。

(2)结合强度检验：

①试棒切削法：偏车试验φ30～40 mm钢铁试棒，经脉冲或脉冲氩弧焊，厚0.5 mm，不起皮，不崩离为合格。

②试棒弯曲法：取试板25×75×1.5 mm，将其25×50 mm的面积焊0.20 mm厚层,将试板上焊接位对折180°,焊补层不起皮,不剥离为合格。

③试棒偏磨试法：圆周方向上将一部分脉冲焊层全部磨削使其暴露出基体金属，其余部分仍保留的脉冲焊补层不起皮，不崩离为合格。

④锉削法：用偏锉锉脉冲焊补层，锉与平面保持约45°夹角，从基体锉向脉冲焊补层，脉冲焊补层与基体不发生剥离为合格。

⑤划痕法：用锋利的钢凿或其它工具在脉冲焊补层上平行划5～6道，间距2～3 mm，将其划破然后在垂直方向，再划5～6道平行划痕，间距2～3 mm，并与前次所划的划痕相交，脉冲焊补层无起皮、无剥离为合格。

⑥锤击法：锤击的印痕四周的脉冲焊补层应无隆起、起皮、剥离现象为合格。

2.3 齿面修复位尺寸精度及齿面检查

对未缺损齿轮面的宽度、高度、啮合形位进行检查，允许低于原平面0.01～0.03 mm。

在现场进行为期3天的修补焊接作业，将齿轮重新安装就位，调试后投入运行对该齿轮的检测如图4。

图4 修复后齿面检测

3 结束语

偏载、硬质异物进入造成齿轮局部应力集中会造成剥齿、轮齿断裂的情况。选择合理焊接材料，采用“电脉冲冷补焊和电脉冲”技术成功快速实现了重载齿轮的齿面崩裂、断齿再造。此方法修复周期性短，齿面焊接能量小、变形少、无应力且齿部成型良好。该齿轮修复后，已正常运行超过半年。

实践证明该焊补工艺是可行的,也为国内其它齿轮断裂及崩裂等类似问题提供了宝贵的经验,具有一定的参考应用价值。

[1] 张健钢.热处理工艺对17Cr2Ni2MoA渗碳层性能影响[J]. 江苏冶金,35(5).

[2] 王永宏.重载齿轮的结构设计与热处理工艺分析[J]. 科技与企业，2012(3).

[3] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册，第2卷[M]. 北京：北京机械工业出版社,2004.

Analysis and On-site Repairing of Teeth Damaged of Gear
Shaft of MYQ5585 Ball Mill

ZUO Chi-zhou

The causes for the teeth broken of gear shaft fracture of ball mill were introduced. The electropulsing cold repair welding technology was used to repaired, realizing the accurate remanufacture of teeth damaged parts.

ball mill; gear; fractured teeth damaged; electropulsing cold repair welding technology

2013-10-14

左池舟(1973—)，男，安徽枞阳人，大学本科，工程师，主要从事设备及节能改造项目管理工作。

TD453

B

1008-5122(2014)02-0027-03