摘要：文章对φ1．8×7m球磨机小齿轮轴断裂的原因进行了分析，并进行了力学计算和实验室检验及分析，最后提出了相应的对策，确保了球磨机的安全运行，提高了企业的经济效益。

    关键词：球磨机；齿轮轴；断裂分析

    中图分类号：THl33．2  文献标识码：B  文章编号：1671-0959(2007)03-0012-02

球磨机是煤矿企业选煤的主要生产设备，它的安全运转尤为重要。轴是球磨机的重要工作部件，它支持着其他回转件并传递转矩，轴性能的好坏直接影响着球磨机的整体性能，一旦轴出现故障，就会严重地影响洗煤厂的正常生产。下面对乌海市金瓯煤炭有限公司洗煤厂的φ1．8×7m球磨机小齿轮轴的断裂失效原因进行分析。

    该球磨机的传动简图见图1。

    该球磨机电机的功率为P=245kW，n=750r/min，ZD60减速机，传动比i=4．5，其结构示意图见图2，回转部分总重量25．4t，研磨机装载量21t，小齿轮轴40Cr，调质处理HB=266，材料的强度极限σb=700MPa，材料在对称循环时的许用弯曲应力[σ-1]w=70NPa，材料的屈服极限σs=500MPa，材料在对称循环下的扭转疲劳极限τ-1=40MPa，该轴于2000年初发生断裂，断裂部位位于动力输入端，且发生在0160轴颈的根部(见图2)。

    小齿轮轴原来曾因轴与轴承松动，即轴承跑内圈，造成轴磨损，后对轴进行过堆焊补修复，但补修后不到一年时间就断裂失效。为了弄清小齿轮轴断裂的原因，对轴的断口进行了金相组织、力学性能等分析。

    轴的疲劳断口宏观特征示意图见图3。断口为疲劳断裂，裂纹呈放射状，断口呈暗灰色，轴1/5处的中心部位，断口比较齐整，颜色较亮。由断口形貌可确定断裂源区在轴外圆环区内，裂纹起源于焊接过渡圆角处，此处为应力集中源，轴的心部为高速瞬断区，瞬断区的前部即为疲劳扩展区，在该区有明显看到的贝纹线。由断口副的良好匹配性，宏观塑性变形很小，说明脆性严重。

    由断口分析，轴为疲劳断裂，应校核轴的疲劳强度。轴的力学模型见图4，轴的载荷分布见图5。

    因球磨机的电机功率P=245kW，转速n=750r/min，减速器传动比i=4．5，齿轮传动的模数m=22mm，大小齿轮的齿数分别为140、21，可算得小齿轮轴的传递转矩T=13510N·m，齿轮的圆周力Ft=2T/d=58484．85N，齿轮的径向力Fr=Ft·tanα=21286．74N，轴的危险截面c安全系数为：

由常规疲劳强度校核，可见轴疲劳强度足够，造成轴疲劳断裂可能是材质问题或其它问题。

为了进一步分析轴断裂的原因，还需进行理化检验和分析。在断口上由轴外圆向里截取金相显微试样，在显微镜下观察，在表层至里1．5～2mm是一层枝晶状铁素体夹少量珠光体，它是焊条焊接后未经过适当热处理的原始组织，其冲击韧度值与设计规范值相差甚远，再向里有比较粗大的珠光体和铁素体晶粒，它是由材料过热所致，造成其机械性能下降，特别是冲击韧性下降。按技术条件，该轴进行调质处理，金相组织应为回火索氏体，但结果不符，说明热处理工艺没有达到技术要求，并且脆性夹杂物超级，有疏松组织存在，这严重地降低了轴的疲劳强度。

    由以上分析与检验，轴断裂存在以下几个原因：

    1)严重的应力集中。轴颈φ160处的轴肩过渡圆角过小(R角3．5mm)，轴在磨损后，进行补焊修复时，破坏了原有轴肩过渡“R”角的形状，几乎无过渡圆角，呈直角，此处存在严重的应力集中，在弯扭应力作用下产生疲劳裂纹，这是轴断裂的主要原因。

    2)焊接残余应力大。通过对轴断口的金相组织分析可知，轴的焊接部分未进行适当的热处理，焊接残余应力较大，导致轴抗交变应力下降，一旦遇上振动，极易产生裂纹。

    3)材质的缺陷。由轴的理化检验和分析可知，轴的材质有疏松组织，夹杂物超级，堆焊修理后未能进行适当热处理，未能改善组织和补偿缺陷，从而轴的金相组织未能达到调质处理的回火索氏体，使得冲击韧度值过低，轴在交变载荷作用下，裂纹以很快地速度扩展到心部，最后全部断裂。

    4)轴与轴承配合间隙大。经检测，φ160轴颈处加工偏差大，使得轴与轴承内圈配合较松，造成轴与轴承内圈相对转动，即跑内圈，从而引起轴承内圈在轴上滑动而使轴磨损，这也是导致轴磨损和断裂的另一个主要因素。

5)负荷过大。由齿轮轴的受力分析(图4)可知，齿轮轴承受较大的弯矩和扭矩，弯矩在轴上产生正应力，扭矩产生剪应力，这些应力在轴运行中不断变化，属于对称循环交变应力，同时还存在附加动负荷，一旦遇到振动、过载、突然起动和制动及多次重负荷冲击时，轴容易产生裂纹而断裂。

    针对上述轴断裂的原因，提出防止断裂的几个对策：

    1)加大过渡圆角，减小应力集中。原齿轮轴径从φ160到φ180，通过R=3．5mm圆弧过渡，现采取适当增大过渡圆角半径，用R=5mm圆弧过渡，这样将应力集中减小到最小，从而提高轴的疲劳强度。此外，一经发现轴磨损后就马上进行修复，在修复过程中要把好轴过渡“R”角的关，使得过渡圆角与设计图纸相符。

    2)轴与轴承选择合适的配合过盈。轴与轴承的配合不能太松也不能太紧，太松会引起轴承内圈在轴上滑动而使配合面磨损，配合过盈量太大，应力集中也增加，对轴的疲劳强度降低也越严重。因此，合理地选择轴与轴承内圈配合的过盈量是很重要的，现由过去的m6配合改为p6配合。改后从未发现轴承跑内圈。

    3)轴从加工到安装要严格按图纸要求，探伤检查锻造质量，采用正确的调质处理，以保证良好的金相组织，为了提高轴颈的耐磨性，还应对轴颈处进行高频表面淬火和低温回火处理。

4)规范操作，严禁球磨机过载和冲击振动，加强设备的维护和保养，定期检查齿轮和轴承的运行状况，一旦发现轴承跑内圈，应及时修复，可采用电刷镀或堆焊补等方法修复。电刷镀是一项修复旋转机械零件的好方法，在刷镀过程中正确的工艺是确保镀层质量的重要手段。采用堆焊补对轴进行修复时，除了要合理选择焊接材料、工艺外，还要采用必要的热处理工艺，严格控制焊前预热和焊后回火温度和时间，以达到均化组织，去除内应力的目的，然后进行车、磨等机械加工，直到尺寸符合图纸要求。