DP-340皮带输送机滚筒轴颈断裂的原因分析
2013-08-02毛继新
（太原西峪煤矿，山西太原 030021）
（太原西峪煤矿，山西太原 030021）
摘 要：从使用工况、载荷、材料及热处理等方面分析DP-340皮带机滚筒轴颈断裂的原因，并提出了相应的改进措施。
关键词：滚筒轴颈；断裂；载荷；应力集中；疲劳强度；热影响区
DP-340皮带输送机因其运量大、易于安装、便于维护等优点，广泛应用于煤矿井下。近年来，西峪煤矿井下大量使用DP-340皮带输送机，但由于井下巷道起伏多变，煤量不均匀等因素的影响，使输送机的工况十分复杂。2004年4月至12月间，该矿四采区主下山3部皮带机频繁发生多起从动滚筒轴颈断裂事故，断裂部位都发生在安装齿轮一侧d80mm到d90mm的轴肩处。根据现场调查并结合断轴的断裂面情况，笔者仅对滚筒轴的断裂原因分析如下。
1 载荷分析
DP-340皮带输送机是由电动机通过减速器带动主动滚筒转动，由一对同步齿轮的啮合实现主、从动滚筒的共同转动，利用输送带与滚筒表面之间的静摩擦来完成输送带的载物运输，其工作原理如图1所示。
关键词：滚筒轴颈；断裂；载荷；应力集中；疲劳强度；热影响区
DP-340皮带输送机因其运量大、易于安装、便于维护等优点，广泛应用于煤矿井下。近年来，西峪煤矿井下大量使用DP-340皮带输送机，但由于井下巷道起伏多变，煤量不均匀等因素的影响，使输送机的工况十分复杂。2004年4月至12月间，该矿四采区主下山3部皮带机频繁发生多起从动滚筒轴颈断裂事故，断裂部位都发生在安装齿轮一侧d80mm到d90mm的轴肩处。根据现场调查并结合断轴的断裂面情况，笔者仅对滚筒轴的断裂原因分析如下。
1 载荷分析
DP-340皮带输送机是由电动机通过减速器带动主动滚筒转动，由一对同步齿轮的啮合实现主、从动滚筒的共同转动，利用输送带与滚筒表面之间的静摩擦来完成输送带的载物运输，其工作原理如图1所示。
工作时，由于巷道起伏多变，输送机的载荷随坡度的变化而变化，同时，在井下实际生产中，煤量的大小也随采煤工作面条件的变化而变化，这样就造成输送机的负载复杂多变，滚筒轴受到的力矩载荷也在不断地发生变化，特别是在重负荷时紧急停车、输送机倒转时被逆止器逆止、重负荷时强行启动这三种恶劣工况下，滚筒轴要承受的扭矩Z大，且具有冲击性，如果这种恶劣工况频繁和长期存在，则滚筒轴必然要承受巨大的反复交变的冲击载荷，在这种反复交变的冲击载荷的作用下，轴很容易失效。
我们经过现场调查，发现在该矿四采区主下山，共铺设8部皮带输送机，运输线长，频繁发生断轴的3部皮带输送机所在位置的坡度变化Z大，该采区布置1个机采工作面，2个炮采工作面，采煤量大，使皮带输送机的载荷加大；同时，由于8部皮带输送机相互连锁，只要前面任何一部皮带输送机停车，后面的所有皮带输送机就全部自动停车，这必然造成所有皮带输送机在重负荷下的频繁启动或停止。综合上述分析，笔者认为煤量大、坡度大、长期超载、频繁的重负荷启动和停车是造成滚筒轴颈断裂的主要原因。
安装时，主动滚筒和从动滚筒的中心线必须保证互相平行，否则，滚筒轴要承受径向的剪切应力，平行度误差越大，滚筒轴受到的剪切应力越大。
我们对现场使用的输送机机头主传动系统进行分析，发现主动滚筒与从动滚筒中心轴线的平行度误差为3.6%，这远远超过了皮带机安装的技术要求，滚筒轴必然要承受很大的剪切力，在这种情况下，轴很容易发生弯曲或断裂。可见，安装时造成的轴的不平行是滚筒轴发生断裂的重要原因。
2 断轴的断裂面分析
由断轴的断口可见：断裂面有截然不同的两个区域，即疲劳断裂区和瞬断区。从断口断面看，断口上疲劳区有明显的疲劳条纹，说明轴的破坏属于疲劳破坏，瞬断区所占比例大约为50%，可以认为，在工作过程中，轴的过载程度比较大；从疲劳区看，磨得比较粗糙，说明疲劳裂纹产生后，因过载程度太大，裂纹的扩展速度较快，疲劳裂纹扩展期在总寿命中所占的比例较小，两断面还未发生摩擦就进入瞬断期；从瞬断区看，断口为纤维状，说明Z后断裂属于韧性断裂。所以，从断口的形貌分析可以判断，轴的断裂是属于应力集中引起的多源疲劳断裂。另外，根据对断轴的结构分析，发现d80mm-90mm的轴肩过渡处，圆角半径R较小，只有2mm-3mm，应力集中较大，这也是引起轴早期断裂的重要原因之一。
3 钢材成分和热处理分析
为弄清短轴的材质和热处理状态，我们对所有断轴取样进行化学成分分析，结果为：C0.39%、Si0.24%、Mn0.63%、P0.014%、S0.015%，属于35#或40#钢，测得表面硬度为HB170左右，远远没有达到技术要求的HB240-280，材料的淬透性差，另外，由于轴的键槽部位经过中频淬火处理，若操作不当，距键槽末端不远处的轴肩，很可能处于中频淬火的热影响区，热影响区不利的残余应力与d80mm-d90mm的轴肩过渡处的应力集中迭加，更容易造成轴的早期疲劳开裂。
根据皮带输送机滚筒轴的使用条件和技术要求，结合有关资料介绍，轴应选用淬透性较好的中碳合金结构钢，比如38CrMnMo、35CrSiMnMo等，它们的淬透性都比较好，经过调质处理后强韧结合较好，为进一步提高疲劳强度，热处理后的硬度还可提高到HB300左右。为缓和轴肩过渡处的应力集中，应适当加大圆角半径，提高机加工质量。键槽部位中频淬火操作时应注意避免热影响区到达轴肩过渡处。如果采用局部表面滚压强化来提高这一区域的疲劳强度，可以在圆角过渡处形成有利于疲劳强度的表面残余压应力。
4 结语
通过以上分析，可以得出以下结论：
（1）皮带输送机所处的位置坡度大，煤量大，频繁的重负荷停车或启动，使轴承受较大的反复交变的冲击载荷，过早地发生疲劳破坏，建议在坡度大的位置使用皮带输送机时，尽量缩短皮带输送机的长度，并且适当控制煤量，加强皮带输送机的管理，避免频繁启动停车，尤其是重负荷停车或启动。
（2）安装质量差，滚筒轴中心线不平行，使滚筒轴承受很大的剪切力，造成轴端弯曲或断裂。建议提高安装质量，缩小滚筒轴的不平行度。
（3）滚筒轴的材质差，热处理后达不到设计的技术要求，强度低，使轴发生早期的疲劳断裂，建议选用淬透性较好的中碳合金结构钢，如38CrMnMo或35CrSiMnMo等，经调质处理来制造此轴。
（4）d80mm-d90mm轴肩过渡处，圆角半径太小，只有2mm-3mm，造成轴肩过渡处应力集中较高，这是轴出现早期断裂的一个主要原因。建议提高机加工质量，适当加大圆角半径，并采用局部表面滚压强化的方法，使疲劳寿命得到提高。
（5）热处理质量差，轴的键槽部位需经过中频淬火处理，淬火时操作不当，使轴颈变化的过渡处处于中频淬火的热影响区内，热影响区不利的残余应力与轴的几何形状突变处的应力集中迭加，是造成轴早期疲劳断裂的原因之一。建议提高热处理质量，避免轴颈变化的过渡处处在热处理的热影响区内。
我们经过现场调查，发现在该矿四采区主下山，共铺设8部皮带输送机，运输线长，频繁发生断轴的3部皮带输送机所在位置的坡度变化Z大，该采区布置1个机采工作面，2个炮采工作面，采煤量大，使皮带输送机的载荷加大；同时，由于8部皮带输送机相互连锁，只要前面任何一部皮带输送机停车，后面的所有皮带输送机就全部自动停车，这必然造成所有皮带输送机在重负荷下的频繁启动或停止。综合上述分析，笔者认为煤量大、坡度大、长期超载、频繁的重负荷启动和停车是造成滚筒轴颈断裂的主要原因。
安装时，主动滚筒和从动滚筒的中心线必须保证互相平行，否则，滚筒轴要承受径向的剪切应力，平行度误差越大，滚筒轴受到的剪切应力越大。
我们对现场使用的输送机机头主传动系统进行分析，发现主动滚筒与从动滚筒中心轴线的平行度误差为3.6%，这远远超过了皮带机安装的技术要求，滚筒轴必然要承受很大的剪切力，在这种情况下，轴很容易发生弯曲或断裂。可见，安装时造成的轴的不平行是滚筒轴发生断裂的重要原因。
2 断轴的断裂面分析
由断轴的断口可见：断裂面有截然不同的两个区域，即疲劳断裂区和瞬断区。从断口断面看，断口上疲劳区有明显的疲劳条纹，说明轴的破坏属于疲劳破坏，瞬断区所占比例大约为50%，可以认为，在工作过程中，轴的过载程度比较大；从疲劳区看，磨得比较粗糙，说明疲劳裂纹产生后，因过载程度太大，裂纹的扩展速度较快，疲劳裂纹扩展期在总寿命中所占的比例较小，两断面还未发生摩擦就进入瞬断期；从瞬断区看，断口为纤维状，说明Z后断裂属于韧性断裂。所以，从断口的形貌分析可以判断，轴的断裂是属于应力集中引起的多源疲劳断裂。另外，根据对断轴的结构分析，发现d80mm-90mm的轴肩过渡处，圆角半径R较小，只有2mm-3mm，应力集中较大，这也是引起轴早期断裂的重要原因之一。
3 钢材成分和热处理分析
为弄清短轴的材质和热处理状态，我们对所有断轴取样进行化学成分分析，结果为：C0.39%、Si0.24%、Mn0.63%、P0.014%、S0.015%，属于35#或40#钢，测得表面硬度为HB170左右，远远没有达到技术要求的HB240-280，材料的淬透性差，另外，由于轴的键槽部位经过中频淬火处理，若操作不当，距键槽末端不远处的轴肩，很可能处于中频淬火的热影响区，热影响区不利的残余应力与d80mm-d90mm的轴肩过渡处的应力集中迭加，更容易造成轴的早期疲劳开裂。
根据皮带输送机滚筒轴的使用条件和技术要求，结合有关资料介绍，轴应选用淬透性较好的中碳合金结构钢，比如38CrMnMo、35CrSiMnMo等，它们的淬透性都比较好，经过调质处理后强韧结合较好，为进一步提高疲劳强度，热处理后的硬度还可提高到HB300左右。为缓和轴肩过渡处的应力集中，应适当加大圆角半径，提高机加工质量。键槽部位中频淬火操作时应注意避免热影响区到达轴肩过渡处。如果采用局部表面滚压强化来提高这一区域的疲劳强度，可以在圆角过渡处形成有利于疲劳强度的表面残余压应力。
4 结语
通过以上分析，可以得出以下结论：
（1）皮带输送机所处的位置坡度大，煤量大，频繁的重负荷停车或启动，使轴承受较大的反复交变的冲击载荷，过早地发生疲劳破坏，建议在坡度大的位置使用皮带输送机时，尽量缩短皮带输送机的长度，并且适当控制煤量，加强皮带输送机的管理，避免频繁启动停车，尤其是重负荷停车或启动。
（2）安装质量差，滚筒轴中心线不平行，使滚筒轴承受很大的剪切力，造成轴端弯曲或断裂。建议提高安装质量，缩小滚筒轴的不平行度。
（3）滚筒轴的材质差，热处理后达不到设计的技术要求，强度低，使轴发生早期的疲劳断裂，建议选用淬透性较好的中碳合金结构钢，如38CrMnMo或35CrSiMnMo等，经调质处理来制造此轴。
（4）d80mm-d90mm轴肩过渡处，圆角半径太小，只有2mm-3mm，造成轴肩过渡处应力集中较高，这是轴出现早期断裂的一个主要原因。建议提高机加工质量，适当加大圆角半径，并采用局部表面滚压强化的方法，使疲劳寿命得到提高。
（5）热处理质量差，轴的键槽部位需经过中频淬火处理，淬火时操作不当，使轴颈变化的过渡处处于中频淬火的热影响区内，热影响区不利的残余应力与轴的几何形状突变处的应力集中迭加，是造成轴早期疲劳断裂的原因之一。建议提高热处理质量，避免轴颈变化的过渡处处在热处理的热影响区内。
来源：《科技情报开发与经济》2005年第15卷第18期
