论28JF减速机一轴频繁断裂原因及其修复方法

蔡继安

（陕西陕煤彬长生产服务中心 陕西省咸阳市 713600）

论28JF减速机一轴频繁断裂原因及其修复方法

蔡继安

（陕西陕煤彬长生产服务中心 陕西省咸阳市 713600）

对大佛寺矿井下28减速机一轴频繁断裂原因分析，在轴产生萌生裂纹后到裂纹的扩展，在到瞬间断裂，整个过程的失效形式是不是到达正常的失效值后产生的断裂。并且轴的对接，主要采用68减速机一轴的结构形式改造28减速机一轴。

轴；断裂；失效；强度；校核

1 轴类的几种失效形式

我们最常见的轴类失效形式有：①弯曲；②失稳，对于特别细长的轴容易产生失稳；③重心偏执，空心轴比较常见；④扭曲；⑤断裂，当然也是必要严重得一种失效形式。为此我们将以减速机28JF轴的断裂进行分析及其修复方法进行讨论。

2 轴的断裂位置及其端面情况分析

2.1 断裂位置（如图1）

图1

2.2 断面及其宏观分析

图2

清洁断口后无锈迹无煤泥等杂质，出现明显的贝壳形状花样，属于典型的疲劳断裂，断口可见疲劳裂纹区A区，裂纹扩展区B区，瞬间断裂区C区三个区域组成。

2.2.1 疲劳裂纹萌生区的宏观特征分析

宏观说疲劳源区一般位于轴的表面或者是亚表面的应力集中处，由于疲劳源区的裂纹扩展速度比较慢，经过反复的受交变应力的冲击使疲劳裂纹慢慢扩展，因此疲劳萌生区一般具有下面宏观特征：①氧化或者腐蚀较重，颜色较深；②断面平坦，细密有小颗粒面；③萌生区与扩展区有明显的界限区分；④在源区虽看不到疲劳弧线，但是有向外发射的疲劳弧线的中心。疲劳裂纹的萌生都是由局部塑性应变集中所引起，最常见的有三种裂纹萌生方式，滑移带开裂，晶界和孪晶界开裂，夹杂物或者第二相与基本的界面开裂，其中滑移带开裂是最常见的裂纹萌生方式之一，也是三种方式中最基本的一种，塑性变形和形成滑移带不但是滑移带开裂的基础也是其他萌生方式的先决条件。

2.2.2 裂纹的扩展区的宏观特征分析

裂纹的扩展属于疲劳失效的第二阶段，裂纹的扩展方向一般是沿着主轴的垂直方向扩展，为单一的扩展裂纹，在裂纹尺寸D，尺寸在0.01

2.2.3 临界尺寸的计算

经过查询确认轴的材质是采用40Cr进行调质加工制成，40Cr材质主要用于用于无冲击，而载荷较大的机械行业的轴类。

图3

临界裂纹尺寸ac：有弹性的裂纹判断依据。

Kmax：应力强度因子（可根据材料能量因子进行计算）。

f：一般裂纹尺寸的函数，中心存在裂纹宽板f=1，单边存在裂纹宽板f=1.12，根据断口可以判断此裂纹属于单边裂纹宽板。

σmax：材料所能承受的最大径向载荷，可根据材料力学分析查询。

ac：轴类失效后裂纹的临界尺寸。

JIC：根据材料力学性能查得当材料40Cr断裂所释放的能量为39。

E：弹性模量，可查询得，合金钢弹性模量为206。

由以上得：

Kmax=90（代入（1））

可得：

ac≈52

由以上可知ac<110，属于正常失效行为。

减速机一轴的产生裂纹萌生原因有很多，环境的影响，连轴器的不平衡因素，制作加工时的缺陷等一系列影响轴的裂纹萌生与裂纹的扩展等，最终达到轴的断裂失效。

3 28减速机一轴断裂后的修补方法

根据轴的断裂位置，无论在轴哪个部位进行对接，整根的轴最终还是有接口，为此翻阅更多资料进行查询断轴的对接方法，最终很不理想。对轴再次进行详细分析后，了解了许多关于轴的制作加工工艺，为此参照了矿用68JS减速机一轴结构模式对矿用28JS减速结构进行改造，具体情况如下（轴的修补工艺）：

（1）断轴如图4，保用原有的螺旋锥齿轮，用轴心和锥齿轮的配合方法，将其轴心更换掉。

（2）用车床夹住φ140或者在φ150处，在利用中心架架在φ170处，在进行找正，找正后进行车孔，且孔与φ150同轴度保证在0.02mm内，同时把台阶孔车成，具体情况如图4。

图4

（3）在用内抓卡抓住另一端，车掉多余的φ170mm处，只剩下螺旋锥齿轮。

（4）用插床在螺旋锥齿轮内孔插出键槽，如图5。

图5

（5）用φ180的45#钢粗车出轴的毛胚尺寸。

（6）热处理轴调质HB220-250。

（7）精车到相应尺寸，具体情况如图6。

图6

（8）最后在装配，如图7。

图7

4 轴的强度校核计算

仅受扭转的强度校核计算：

这种方法用于主要承受转矩轴的强度计算，或在初步设计轴的结构时，估算最小轴颈。若主要承受转矩的轴还受有不大的弯矩，则可以降低许用扭转切应力的办法予以考虑。轴的扭转强度条件为：

式中：ζt——扭转切应力，MPa；

T——轴所受的扭矩，N·mm；

Wt——轴的扭抗截面系数，mm3；

n——轴的转速，r/min；

P——轴的传递功率kW；

d——计算截面处的直径，mm；

[ζt]——许用扭转切应力，MPa。P=800kW d=100mm n=1484r/min

[ζt]=25-45MPa 查表得：

此时需要将轴调质到一定的硬度，使其的[ζt]≥25.7 则满足 ζt≤[ζt]。

在初步估算轴的直径时，可以由上式得到轴的估算公式：

查表可得A=126-103。

满足要求当许用应力[ζt]≥25.7↑A值越↓，轴颈↓。现在根据A=103最小时计算出极限估算轴颈：

当提高许用应力[ζt]时A值越小则就是需要满足800kW 1484转速轴颈极限是φ83.5，当提高许用应力值[ζt]时，φ100的轴就能满足要求。

5 结论

在一轴产生萌生裂纹后，随着裂纹的不断扩展，在达到临界值ac后，产生的正常疲劳断裂。

减速机在地面顺利加载完成，下井后，一直对减速机的使用情况进行跟踪，反应上来的信息都非常乐观，运行非常的平稳没有任何异常情况，待减速机使用2个月后返上地面后对轴再次进行检查检测，情况非常良好，依然能够正常使用。

根据轴的强度校核计算，计算出在有效载荷下，轴的最小有效面积，由于裂纹的萌生和裂纹的扩展已经产生应力集中，所以轴的有效面积计算需要将应力集中考虑到强度校核计算。在裂纹大约达到一定数值，这时轴的有效面积已经接近或者等于计算值，根据计算最小有效面积可以得到裂纹的临界值，根据使用用途，40Cr调质后，所以减速机一轴的最好材料是采用40Cr制作。下列计算根据40Cr算出裂纹临界值。

[1]桂立丰，曹用涛.《机械工程材料测试手册》.辽宁科技出版社，2002.

[2]成大先.《机械设计手册》.化学工业出版社，2010.

TH132.46

A

1004-7344（2016）17-0194-02

2016-6-1

蔡继安（1987-），男，助理工程师，本科，主要从事煤矿设备维修技术工作。