摘要

對于1.8*7球磨機小齒輪軸承斷裂的原因分析，并采取相應的措施，確保球磨機的安全運行。

山西某水泥有限責任公司的主要水泥球磨設備是1.8x7m球磨機。該磨機配備電機的功率為P=245KW，n=750r/min，ZD60減速機，傳動比i=4.5，其傳動示意見圖1，回轉部分總重量25.4t，研磨機裝載量21t，其中小齒輪軸材質為40Cr，調質處理HB=266，trb=700MPa，[tr_dw=70MPa，tr=500MPa。

該軸于1999年8月因軸承裝配松動，曾對軸承裝配部位進行過堆焊修補，2000年初該軸發生斷裂，斷裂部位位于動力輸入端且發生在 16O軸頸的根部(見圖2)。為了保障企業的正常生產，避免類似事故的發生，我們對該軸的斷裂原因進行了分析。

一、斷裂分析

1.1 軸的斷口分析

軸的斷口區組成見圖3，斷口為明顯疲勞斷裂，特征征斷裂面由光滑的疲勞發展區和粗粒狀的斷裂區組成，說明裂紋起源于焊接過的過渡圓角。在應變力下形成裂紋后，裂紋繼續發展形成疲勞區，由于邊緣反復壓緊和分開，使疲勞區呈現光滑狀態，并有裂紋發展過程的前沿線；軸中部粗粒狀的區是由于當裂紋達到臨界尺寸后，在英里循環次數的作用下，迅速發生斷裂而造成的。

1.2 軸的力學分析

由于斷面具有明顯的疲勞斷裂特征，對軸的疲勞強度校核如下。

球磨機齒輪傳動的模數m=22mm，大小齒輪的齒數分別為140、21，由此可知小齒輪軸的傳遞轉矩T=13510Nm，齒輪的圓周力Ft=2T/d=58484.85N，齒輪的徑向力Fr=Ft·tana=21286.74N。軸的危險截面C安全系數為：由常規疲勞強度校核?？梢娸S疲勞強度足夠，說明造成軸疲勞斷裂原因材質或其它問題。

1.3 軸的理化檢驗與分析

為了進一步分析軸斷裂的原因，我們進行了理化檢驗和分析。在斷口上由軸外圓向里截取金相顯微試樣，經在顯微鏡下觀察。發現軸在表層至里1.5-2mm是一層枝晶狀鐵素體夾少量珠光體，它是焊條焊接后未經過適當熱處理的原始組織，其沖擊韌度值與設計規范值相差巨大，再向里有比較粗大的珠光體和鐵素體晶粒，它是由材料過熱所致。是造成軸機械性能下降。特別是沖擊韌性下降的主要原因。按技術要求，對該軸進行調質處理，金相組織應為回火索氏體這一結果，說明軸的熱處理工藝沒有達到技術要求，并且脆性夾雜物超級，有疏松組織存在，嚴重地降低了軸的疲勞強度。

二、造成斷裂的因素

由以上分析與檢驗，軸斷裂存在以下幾個原因。

(1)應力作用

軸頸160處的軸肩過渡圓角過b(R角3.5mm)，軸在磨損后，進行補焊修復時，破壞了原有軸肩過渡“R”角的形狀，幾乎無過渡圓角，呈直角，此處存在嚴重的應力集中。在彎扭應力作用下產生疲勞裂紋。這是軸斷裂的主要原因。

(2)焊接殘余應力大

通過對軸斷口的金相組織分析可知，軸的焊接部分未進行適當的熱處理，焊接殘余應力較大，導致軸抗交變應力下降，一旦遇上振動。極易產生裂紋。

(3)材質缺陷

由軸的理化檢驗和分析可知，軸的材質有疏松組織，夾雜物超級，堆焊修理后未能進行適當熱處理，未能改善組織和補償缺陷。從而軸的金相組織未能達到調質處理的回火索氏體，使得沖擊韌度值過低，軸在交變載荷作用下，裂紋以很快的速度擴展到心部．最后全部斷裂。

(4)軸與軸承配合間隙大

經檢測， 160軸頸處加工偏差大，使得軸與軸承內圈配合較松，造成軸與軸承內圈相對轉動，即跑內圈，從而引起軸承內圈在軸上滑動而使軸磨損，這也是導致軸磨損和斷裂的另一個主要因素。

(5)負荷過大

由齒輪軸的受力分析(圖4)可知，齒輪軸承受較大的彎矩和扭矩，彎矩在軸上產生正應力，扭矩產生剪應力，這些應力在軸運行中不斷變化，屬于對稱循環交變應力，同時還存在附加動負荷，一旦遇到振動、過載、突然起動和制動及多次重負荷沖擊時，軸容易產生裂紋而斷裂。

三、解決方法

針對上述因素，為了防止發生類似事故提出以下幾點措施。

(1)加大過渡圓角，減小應力集中。原齒輪軸徑從 160到 180。通過R3．5圓弧過渡，現采取適當增大過渡圓角半徑，用R5圓弧過渡，這樣將應力集中減小到最小，從而提高軸的疲勞強度。此外，一經發現軸磨損后就馬上進行修復，在修復過程中要把好軸過渡“R”角的關，使得過渡圓角與設計圖紙相符。

(2)軸與軸承選擇合適的過盈配合。軸與軸承的配合不能太松也不能太緊，太松會引起軸承內圈在軸上滑動而使配合面磨損，配合過盈量太大，應力集中也增加，軸的疲勞強度降低也越嚴重。因此，合理地選擇軸與軸承內圈配合的過盈量十分重要。

(3)軸從加工到安裝要嚴格按圖紙要求。探傷檢查鍛造質量，采用正確的調質處理，以保證良好的金相組織，為了提高軸頸的耐磨性，還應對軸頸處進行高頻表面淬火和低溫回火處理。

(4)規范操作。嚴禁球磨機過載和沖擊振動，加強設備的維護和保養，定期檢查齒輪和軸承的運行狀況，一旦發現軸承跑內圈，應及時修復，修復可采用電鍍或堆焊補等方法。電鍍是一項修復旋轉機械零件的最好方法，在電鍍過程中正確的工藝是確保鍍層質量的重要手段。采用堆焊補對軸進行修復時，除了要合理選擇焊接材料、工藝外。還要采用必要的熱處理工藝，嚴格控制焊前預熱和焊后回火溫度和時間，以達到均化組織，去除內應力的目的，然后進行車、磨等機械加工，直到尺寸符合圖紙要求。