帶式輸送機滾筒軸斷裂故障分析

宋玉斌

（潞安化工集團古城煤礦， 山西 長治 046100）

引言

某礦業公司輸送機改向滾筒軸出現斷裂現象，斷裂存在于滾筒附近40～50 mm 之間，也就是軸徑變化明顯的區域，斷裂面和滾筒軸軸線呈垂直關系。滾筒軸斷裂現象不僅會降低輸送機的工作效率，還會給操作人員的生產安全帶來威脅，不利于經濟成本的控制。經過初步分析，總結出可能造成滾筒軸斷裂的原因，包括滾筒軸徑變化幅度較大，產生應力集中現象，過大的應力產生局部破壞；滾筒軸長期承受交變載荷的沖擊出現疲勞破壞。為了明確造成滾筒軸斷裂的原因，采取針對性的措施，避免此類事故的出現。本文通過有限元分析的方式，對于滾筒軸不同工況下的載荷分布進行模擬，得出滾筒軸的失效原因。

1 滾筒軸斷裂故障原因分析

滾動軸常見的破壞形式包括疲勞、腐蝕、磨損、撞擊、微動以及蠕變等，實際工作過程中軸類零件通常承受交變載荷的沖擊，因此最為常見的破壞形式為疲勞破壞[1]。原滾筒斷裂事故如圖1-1 所示，觀察斷裂處的表面特征不難發現，右側相對光滑且存在銹跡，為疲勞裂紋擴展區；左側相對粗糙，為脆性斷裂區。

輸送系統的工況在工作過程中不斷發生變化，滾筒軸的工況也隨之改變。滾筒軸的載荷分布隨工況變化呈現出周期性或者非周期性的變化規律。隨著交變載荷的不斷沖擊，材料表面從疲勞源處開始形成裂紋形核，裂紋形核出現在靠近滾筒截面變化處40～50 mm 也就是軸徑變化較為明顯的區域。隨著交變載荷的持續作用，裂紋不斷擴張，滾筒軸的強度剛度不斷削弱，最終產生疲勞斷裂現象。材料疲勞斷裂斷口和現場原滾筒事故照片對比如圖1 所示。

圖1 疲勞斷裂斷口與現場原滾筒的事故照片對比圖

2 滾筒軸結構及載荷分析

2.1 結構分析

滾筒軸是滾筒的重要組成部件，主要作用是將軸上零部件連接為一個整體，起到傳遞載荷的作用。滾筒軸整體結構較為復雜，軸上零件通常包括軸肩、鍵槽以及環槽等多個零件。此外，為了確保零件的定位，零件布置區域的軸徑往往會出現較大的變化，出現應力集中區域，局部應力過大使得滾筒軸產生疲勞破壞現象[2]。

滾筒的主要組成部分包括筒體、脹緊聯結套、接盤、滾筒軸以及輸送帶，滾筒軸整體結構圖如圖2 所示。滾筒軸各部件材料和相應性能參數如表1 所示。

圖2 滾筒軸整體結構圖

表1 滾筒軸各部件材料及相應性能參數

根據表1 和圖2 不難發現，滾筒軸整體結構較為合理，零部件布置符合相關要求，根據現場照片查詢相關案例以及文獻，得出結論，在軸徑變化較為明顯的區域，設計的過渡圓角半徑較小，應力集中現象未能很好的消除，導致滾筒軸局部應力過大。

2.2 載荷分析

實際工作過程中，滾筒軸的載荷分布會隨著設備工況的改變而改變。為了對滾筒軸的應力應變和疲勞壽命進行準確分析，以正常輸送工況和逆止器逆止工況兩種工況為例，滾筒具體載荷及扭矩如表2 所示。

表2 滾筒具體載荷以及扭矩（輸送量Q=1 200 t/h）

工況1（正常輸送工況）：滾筒除了繞滾筒軸轉動未受到約束外，左右兩端的徑向和軸向均受到約束。在滾筒包角表面積上施加一個輸送機張力。

工況2（逆止器逆止工況）：滾筒左右兩端徑向和軸向均受到約束，繞滾筒軸轉動也受到約束。在滾筒包角表面積上和滾筒軸上分別施加輸送機張力以及扭矩[3]。

3 有限元分析

3.1 有限元分析過程

滾筒軸是滾筒的重要組成部件之一，因此具有整體結構復雜、載荷分布不均勻以及裝配條件嚴格等缺點。所以，很難將滾筒軸進行整體建模進而對其應力分布情況進行分析。本文采用有限元分析法，使用ANSYS Workbench 將滾筒軸的模型導入，通過網格劃分以及接觸設置的方式得出滾筒軸不同工況下的應力應變情況。有限元分析流程如圖3 所示。

圖3 有限元分析流程

3.2 有限元計算結果及分析

上述2 種工況下，滾筒軸有限元分析的應力應變云圖如圖4 所示。

根據圖4 結果不難發現，工作載荷最大的情況下，滾筒軸的應力分布集中區域為軸端處以及軸階處，最大應力為81.515 MPa，滾筒軸使用的材料是40 Cr，許用應力公式為：

圖4 不同工況的等效云圖

式中：f 為幾何修正系數，查表取1.12；a 為裂紋尺寸，mm；Δσ 為應力幅，MPa。

裂紋不擴展條件如下：

式中：ΔKth為應力強度因子幅門檻值，MPa。

通過上述分析可得應力幅Δσ=40 MPa，材料擴展門檻應力強度因子為5.1 MPa，將數值代入式（2）得出初始裂紋的尺寸為a=4.3 mm。

裂紋線彈性斷裂判據如下：

最大應力強度因子計算如下：

式中：σs為屈服極限，取 785 MPa；n 為材料安全系數，取1.34。

將相關數值代入式（1）得：[σ]≈585.82 MPa。

根據圖4 結果不難發現，工作過程中滾筒軸所受最大應力遠遠小于材料的許用應力，結合事故現場照片斷面情況進行分析，確定造成事故的原因是滾筒軸的疲勞斷裂。

根據上述分析可知，工作載荷最大時，滾筒軸軸徑變化處產生應力集中現象，局部應力過大導致滾筒軸疲勞破壞。

3.3 提高軸抗疲勞破壞的措施

分析比較不同初始裂紋的裂紋擴展壽命可知，初始裂紋的尺寸情況對于裂紋的擴展情況有著很大的影響。裂紋檢測過程中，通常選取臨界裂紋尺寸作為檢測參數，同現階段的檢測尺寸進行對比，判斷出滾筒軸是否需要更換或維修。

應力強度因子幅由式（2）可得：

式中：Kc為斷裂韌性，查表取 32.716 MPa；δmax為應力極值，MPa；ac為臨界裂紋尺寸，mm。

通過上述分析可知，斷面應力極值δmax=40 MPa，將數值代入式（5）得出臨界裂紋的尺寸ac=170 mm。

裂紋擴展速率計算如下：

式中：C、m 為裂紋擴展參數，查表取C=9.24×10-8、m=1.84。

將數值代入式（5）得出裂紋的擴展速率和ΔK的數值呈正比關系，因此要想提升滾筒軸的使用壽命，就要降低應力集中帶來的影響，避免初始裂紋尺寸過大。

4 結論

1）滾筒軸產生脆性疲勞的斷裂的主要原因是軸徑變化處過渡圓角尺寸較小，應力集中現象較為明顯。

2）有限元分析結果驗證了滾筒軸的斷裂是由于軸徑變化處的應力集中以及交變載荷的沖擊造成的疲勞斷裂。

3）通過控制應力大小、減小應力集中以及改進軸上零部件結構的方式，延長滾筒軸的使用壽命。