1、問(wèn)題的提出
三峽下岸溪砂石項(xiàng)目部從瑞典斯維達(dá)拉公司購(gòu)進(jìn)50- 65 MK - II型旋回
破碎機(jī)2臺(tái)，并于1999年8月投入運(yùn)行。該機(jī)種破碎比大、產(chǎn)量高，并且故障率低、易于維護(hù)，是人工砂石加工的主力設(shè)備。但運(yùn)行至2001年11月14日時(shí)，其中的1臺(tái)在破碎過(guò)程中發(fā)生主軸斷裂，理論運(yùn)行時(shí)間只有兩年零三個(gè)月。該機(jī)種的實(shí)際生產(chǎn)狀況是2臺(tái)設(shè)備一用一備，從來(lái)就沒(méi)有2臺(tái)一起運(yùn)行過(guò)，所以該臺(tái)破碎機(jī)主軸斷裂前的理論運(yùn)行時(shí)間應(yīng)該只有一年多一點(diǎn)。
雖然，根據(jù)合同，廠方的主軸承諾質(zhì)量保證期是18個(gè)月，項(xiàng)目部也以合同為依據(jù)同廠方代表糾纏了2個(gè)多月，但終因證據(jù)不能讓廠家信服沒(méi)能得到廠方的賠償。而此時(shí)又正值i峽大壩混凝土澆筑的高峰時(shí)期，人工骨料加工系統(tǒng)生產(chǎn)一刻也不能停。該臺(tái)破碎機(jī)主軸斷裂后，另1臺(tái)也保不準(zhǔn)何時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，萬(wàn)一另1臺(tái)也在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)同樣的情況，那后果簡(jiǎn)直就不敢設(shè)想，所以必須盡快組織該破碎機(jī)主軸的訂貨事宜。通過(guò)詢(xún)問(wèn)得知，該主軸進(jìn)口價(jià)格竟然高達(dá)230萬(wàn)元，并且交貨期也很長(zhǎng)（最快要6個(gè)月），加上擔(dān)心再進(jìn)口主軸還可能出現(xiàn)同樣的主軸斷裂問(wèn)題，項(xiàng)目部否定了該主軸的進(jìn)口計(jì)劃，決定馬上自己組織技術(shù)力量對(duì)斷裂主軸進(jìn)行研究，充分分析主軸斷裂發(fā)生的原因，找出主軸斷裂發(fā)生的病癥，探索其國(guó)產(chǎn)化的可能性。
2、主軸斷裂原因分析
這樣I根重達(dá)30來(lái)t的進(jìn)口主軸竟然會(huì)發(fā)生斷裂，有點(diǎn)不可思議。而現(xiàn)在否定進(jìn)口計(jì)劃，決定國(guó)產(chǎn)，對(duì)筆者來(lái)說(shuō)更是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。但現(xiàn)實(shí)已經(jīng)沒(méi)有退路，只有迎難而上。首先必須對(duì)主軸斷裂的原因進(jìn)行分析，才能對(duì)后面的國(guó)產(chǎn)化探索和使用提供幫助。
在隨后的拆檢中我們發(fā)現(xiàn)，該主軸斷裂部位是發(fā)生在軸上部軸徑∮489至軸徑∮630的圓弧過(guò)渡區(qū)，正是主軸在破碎過(guò)程中受彎曲力矩最大的區(qū)域。通過(guò)對(duì)斷裂口取樣并進(jìn)行掃描電鏡觀察分析，確定斷裂面是因主軸達(dá)到其疲勞極限而產(chǎn)生的疲勞斷裂，而非因外力作用過(guò)力而產(chǎn)生的脆性斷裂。
經(jīng)充分論證后，得出：該機(jī)型因是由42 -50型旋回破碎機(jī)改型而成，除主軸加長(zhǎng)、進(jìn)料口徑增大外，其余部位并未作相應(yīng)的改動(dòng)。故由于進(jìn)料口徑的增大，該機(jī)的破碎比也較42 -50型的大，主軸所承受的破碎力矩也比42 -50型的大，按理主軸上部軸徑的直徑也應(yīng)相應(yīng)加大，而事實(shí)上改型后的主軸直徑卻沒(méi)有加大。同時(shí)，由于主軸的長(zhǎng)度相比42 -50型的也加長(zhǎng)了1.2m，也使得主軸圓弧過(guò)渡區(qū)所承受的彎曲力矩相應(yīng)增大。這樣．與42 -50型旋同破碎機(jī)相比，50 - 65型破碎機(jī)主軸圓弧過(guò)渡區(qū)在破碎過(guò)程中所承受的彎曲力矩要大得多，這便加速了軸徑的疲勞損壞，增加了主軸斷裂發(fā)生的可能性。而主軸圓弧過(guò)渡區(qū)本來(lái)就是主軸應(yīng)力最為集中的區(qū)域，如若主軸因達(dá)到其彎曲疲勞極限而產(chǎn)生斷裂，斷裂部位就應(yīng)該發(fā)生在該區(qū)域，事實(shí)上主軸斷裂部位正是發(fā)生在此區(qū)域。因此，達(dá)到彎曲疲勞極限就是主軸發(fā)生斷裂的主要原因。
主軸上部軸徑結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1：
3、國(guó)產(chǎn)化探索
3.1結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析
確定主軸發(fā)生斷裂的主要原因之后，接下來(lái)要做的就是尋找防止主軸斷裂的方法：要防止主軸斷裂，就是要延長(zhǎng)主軸疲勞極限到來(lái)的時(shí)間，也即增大主軸的抗彎強(qiáng)度、降低主軸過(guò)渡圓弧區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)。
要增大主軸抗彎強(qiáng)度，在主軸長(zhǎng)度無(wú)法改變的情況下，就必須加大主軸上部軸徑尺寸和過(guò)渡圓弧圓角尺寸。但加大主軸上部軸徑尺寸會(huì)帶來(lái)一連串其他相關(guān)零件的尺寸改動(dòng)問(wèn)題，實(shí)際上行不通，所以只能是加大過(guò)渡圓弧圓角尺寸。而降低主軸應(yīng)力集中系數(shù)也是在應(yīng)力最為集中的過(guò)渡圓弧區(qū)，所以對(duì)該軸的結(jié)構(gòu)改動(dòng)就全部集中在此過(guò)渡圓弧區(qū)。
通過(guò)我們的精確計(jì)算，確定可以將主軸過(guò)渡圓弧圓角尺寸由原來(lái)的R160mm加大到R285rnm，而不影響其它零件的裝配。因此，主軸過(guò)渡圓弧圓角尺寸可確定為R285mm。
另外，加大過(guò)渡圓弧圓角尺寸理論上是可以改善主軸過(guò)渡圓弧區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)，但經(jīng)過(guò)我們的詳細(xì)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：由于原過(guò)渡圓弧圓角尺寸r與主軸小端軸徑d的比值r/d= 160/489=0.32>0.25，通過(guò)查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得知，當(dāng)r/d的值大干0.25以后，單純的加大過(guò)渡圓弧圓角尺寸已不能降低該區(qū)的疲勞缺口應(yīng)力系數(shù)，也即加大過(guò)渡圓弧圓角尺寸對(duì)降低該區(qū)的應(yīng)力集中狀況已經(jīng)沒(méi)有作用。那么只能通過(guò)提高主軸過(guò)渡圓弧Ⅸ的強(qiáng)度和表面精度來(lái)降低該區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)。
提高過(guò)渡圓弧區(qū)的強(qiáng)度也即提高整軸的強(qiáng)度，提高主軸的整體機(jī)械性能，這可以通過(guò)選擇合適的材質(zhì)和合適的熱處理工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以要對(duì)現(xiàn)軸的材質(zhì)和強(qiáng)度做一個(gè)檢測(cè)分析。同時(shí)，提高過(guò)渡圓弧區(qū)的表面精度也需對(duì)現(xiàn)軸的表面粗糙度作出實(shí)際檢測(cè)。
3.2主軸材質(zhì)分析
1)通過(guò)取樣并化學(xué)分析，該主軸化學(xué)成分如表1所示：
通過(guò)查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，并與我國(guó)國(guó)內(nèi)合金結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)相對(duì)照，其化學(xué)成分近似于合金結(jié)構(gòu)鋼40CrMnMo。
2)通過(guò)取樣并進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)，該主軸的實(shí)際機(jī)械性能如表2所示：
3)通過(guò)查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，并咨詢(xún)國(guó)內(nèi)有關(guān)廠家，我國(guó)現(xiàn)用于破碎機(jī)及提升機(jī)主軸的材料主要有4種，它們是：20CrNiMo、40CrNiMoA、40CrMnMo、42CrMo。它們的機(jī)械性能參數(shù)對(duì)照如表3所示：
20CrNiMo鍛造、熱處理性能較好，在采用滲碳、淬火工藝時(shí)，可具有韌性好、強(qiáng)度高、與軸承的結(jié)合部耐磨損的特點(diǎn)。小型旋回破碎機(jī)使用較好，在大型旋同破碎機(jī)上應(yīng)用非常少，特別是這種主軸上端帶襯套的結(jié)構(gòu)形式完全沒(méi)必要采用滲碳、淬火工藝制造；第一手資料至關(guān)重要。此次主軸發(fā)生斷裂后，及時(shí)地采取了保護(hù)措施，特別是對(duì)斷口實(shí)施了保護(hù)，這為后面對(duì)斷面進(jìn)行金相分析保存了最真實(shí)的狀況，保證了金相分析的準(zhǔn)確。
其次，要盡量多的獲取原始資料，以利作出正確的分析判斷和正確的設(shè)計(jì)思路。對(duì)于該軸，做了大量可以做的試驗(yàn)，以期獲取較多的原始資料。包括化學(xué)成分、機(jī)械性能、金相組織、表面粗糙度、硬度檢測(cè)等等。甚至連設(shè)備出廠情況都做了了解和分析。
第三，要膽大心細(xì)，沖破束縛，敢于挑戰(zhàn)。該軸斷裂以前，一直認(rèn)為我國(guó)在原材料和熱處理工藝上與國(guó)外相比存在較大差距的，許多零件是不可能由國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的，此次主軸斷裂后，也是無(wú)奈之下選擇了國(guó)產(chǎn)化探索。正是這次無(wú)奈，使得我們打破了原來(lái)的認(rèn)識(shí)，敢于分析國(guó)外的工件，敢于相信國(guó)內(nèi)的材料及加工手段。通過(guò)努力，該軸的國(guó)產(chǎn)化實(shí)踐是成功的。
在這次50 - 65M - II旋同破碎機(jī)主軸的國(guó)產(chǎn)化實(shí)踐的探索中，得到了中信集團(tuán)洛陽(yáng)礦山機(jī)械研究院和中信集團(tuán)洛陽(yáng)礦山機(jī)械廠的大力支持，這里一并致謝。
