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【摘要】大唐国际发电股份有限公司陡河发电厂丙堆取料机于1982年投产使用，设备型号为DOLl25030，回转减速机采用立式行星减速机，速比为685.147，2012年1月份回转减速机输出轴在使用过程中断裂，经过抢修，设备在最短时间内恢复使用。回转减速机输出轴从小齿圈安装的轴肩部位断裂，从断裂面上分析，该输出立轴轴肩处的过渡圆角太小，再加上长期超负荷运转造成的疲劳断裂。
【关键词】输出轴 断裂 原因 分析 方案
【中图分类号】V231.95 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0477-01
前言
DQLl25030堆取料机回转减速机采用大连重型机械厂生产的立式行星减速机，速比为685.147，该立轴采用40Cr材质，从断面上分析轴的断裂部位为变径处直径为220mm，此处为应力集中部位，容易发生断裂。从轴的断裂界面看，轴是由外向内依次断裂，轴的外圈前期已经发生开裂，内部开裂部位为新撕裂不部位，整个断口呈暗灰色，断裂平面不平整，有严重的塑性变形，产生这种情况的原因是立轴受到超负荷的扭矩，再加上斗轮机使用年限较长使得立轴疲劳断裂。
1、断口分析
从断口看，有明显的三个区域即裂纹源区、扩展区和瞬断区，属典型的疲劳断裂。断口比较扁平，裂纹扩展前沿线两侧的裂纹扩展速度较大，瞬断区在裂纹源的对面，由此可见，失效轴主要受旋转弯曲应力，而从瞬断区较小。根据上述断口分析结果及断裂形貌，认为轴断裂属中等名义应力集中条件的旋转弯曲产生的疲劳断裂。轴在承受旋转弯曲应力的作用下，由于轴的表面硬度较低，加上轴肩应力集中，使轴在正常工作应力下在轴肩处过早的产生疲劳裂纹，随着循环载荷的作用，疲劳裂纹不断向基体内扩展，致使轴的有效承载尺寸减少，最后导致轴的断裂。
2、引起轴断裂的原因分析
2.1 回转轴承范卡造成扭矩加大
回转减速机驱动回转轴承进行旋转，由于回转轴承的工作环境比较恶劣，回转轴承的密封不严进入煤粉，造成回转轴承卡涩，回转轴承润滑不及时，回转圆柱磨损，造成回转轴承异常响声，回转减速机传动力矩加大，减速机长期超负荷运行可造成立轴断裂。
2.2 减速机振动超标
回转减速机承载回转力矩较大，在运行中减速机瞬间停止或瞬间启动造成对减速机冲击，长时间运行减速机地脚螺栓松动，减速机的振动加大，运转过程中传动轴晃动加剧，引起输出轴断裂。
2.3 回转减速机立轴连接的小齿圈与回转轴承啮合不好
齿轮啮合状况的好坏对回转机构都有着重要的影响假，如齿轮副侧隙过大或齿轮啮合面积太小，会造成传动齿轮的磨损过快甚至断裂，如果回转齿轮副侧隙过小，则增大了回转机构的传动扭矩，当传动扭矩超过回转机构的额定载荷时，就会致使回转减速机超载立轴断轴。
2.4 回转减速机装配中心不正
回转减速机大修后安装尺寸变化造成立轴不正，在日常检修中立轴的垂直度只是靠目测，没有使用精确的测量工具，有可能造成减速机垂直度不高，立轴不正，存在误差。正确装配的减速机在运转时只承受扭矩，运行平稳，没有脉冲，如果减速机安装时立轴不正，运行过程中就会受到来自回转轴承的径向力，径向力迫使立轴弯曲，同心度慢慢加大，径向力使得立轴局部温度升高，金属结构不断破坏，最终导致立轴金属疲劳折断。
2.5 堆取料机行走取煤造成回转减速机频繁超载
堆取料机在行走过程中采煤量的大小和运行方式会产生对立轴的影响，如果行走过程中采煤量较大而且行走速度和回转速度不同步就会造成回转支架受力，对回转减速机有一定的冲击力，造成回转立轴在工作过程中受力不均，回转轴频繁过载，也是产生轴断裂的主要因素。
2.6 轴的化学成分不符合技术要求
回转减速机的立轴采用40Cr材质，如果该轴含碳量太低，则造成钢的强度、韧性降低，最终影响其承受冲击载荷的能力；Cr含量低于标准值，则将会导致材料的淬透性偏低，淬火时不利于得到马氏体身强度，而且是应力集中处，继而造成为裂纹源，将会加速轴的疲劳断裂。
2.7 立轴变径处的设计不合理，加工质量存在缺陷
减速机立轴根部圆角半径过小，产生的应力集中很大，该轴断裂处在设计和加工质量上容易被忽视，造成结构不合理和表面加工质量不高，表面不光洁。在交变应力的作用下在根部形成初始微裂纹，成为裂纹源，在对称循环交变扭转剪应力的作用下，轴的根部有较大的应力集中，此处的扭转工作剪应力很大，而此时减速机输出轴立轴根部的疲劳极限又大的、大大降低，其结果必然是会导致轴根部截面外边缘处的交变扭转最大剪应力大于该处轴的疲劳极限，这样在轴的根部外表面就形成疲劳微裂纹。在交变应力作用下，裂纹由外表面不断向内表面扩大，在反复扭转过程中，外边缘裂纹裂开的两个面相互摩擦，即形成了断口面上的接近外表的光滑区，随着光滑区不断的扩大，轴根部的实际工作截面不断向中心缩小，最后在最大交变剪应力的作用下，截面突然扭断，就形成了断口面上的中间部位的粗糙颗粒状的区域，由此可见轴断裂是与其自身结构、尺寸和表面粗糙度有关的。
3、采取措施
3.1 提高减速机立轴的加工质量，合理设计变径处的圆角，从减速机立轴断裂的原因分析看，要避免轴的疲劳断裂情况发生，一方面提高轴的疲劳极限，另一方面设法降低轴扭转时的最大剪应力。对轴的改进措施是首先改变外形，在轴变截面处直接用圆角过度并加大圆角变径，其次提高轴的加工质量，减提高轴的抗疲劳强度，在轴的热处理锻造工艺上要严格按照工艺标准进行加工。
3.2 加强质量验收，在满足各种加工尺寸和加工精度后，对加工后的回转立进行进一步的检测，对立轴进行硬度测试和超声波探伤，对立轴的材质进行分析，确保其化学成分符合技术要求。
3.3 加强检修质量，回转减速机在检修过程中，严格按照检修标准对回转轴进行找正，控制好回转立轴装配的小齿圈与回转轴承齿圈的啮合量；在固定减速机时加固回转减速机地脚螺栓的固定方式，减速机采用双止口定位，并且在回转减速机结合面焊接挡铁，控制回转减速机的晃动量，减少立轴对回转机构的脉冲。
3.4 安装限力矩装置，如有条件可在在堆取料机减速机上加装限力矩装置，根据电机输出轴与减速机输入轴传递扭矩的数据来设定限力矩装置的力矩数值，进行限力矩装置弹簧的选型。由此实现当回转减速机的传递扭矩小于设定扭矩时，堆取料机可正常运行，当减速机传递扭矩大于设定扭矩时，限力矩装置动作，堆取料机停止运行，这样可对整个减速机进行保护，消除设备的安全隐患。
3.5 对回转轴承进行全面检查，有必要时对回转轴承解体检查，查看回转轴承珠粒的磨损情况，检查轴承滑道是否有磨损，对回转轴承进行清洗，更换轴承的密封，紧固回转轴承的地脚螺栓，及时对轴承进行润滑，确保回转轴承稳定运行，减少回转减速机立轴的回转力矩。
3.6 加强煤场管理，对设备的运行方式严格控制，尽量减少不回转行走取煤，对清扫人员进行严格管理，及时清扫回转轴承处的积煤，杜绝回转机构超载运行。
结束语：回转减速机立轴是堆取料机中重要的传动部分，该轴的制造工艺及安装标准都比较高，对回转立轴的材料性能要求也高，如果化学成分不符合技术要求、锻造加热温度过高、应力集中、热处理工艺控制不当等是造成轴产生断裂的原因，因此在制作过程中或由于设计不当造成的。因此在制造过程中应严格控制包括机加工和热处理的每个环节，并且合理设计轴的结构。同时回转减速机立轴的安装工艺要求同样重要，在检修装备配过程中要严把质量关，减少使得轴断裂的因素，提高设备可靠性。
【关键词】输出轴 断裂 原因 分析 方案
【中图分类号】V231.95 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0477-01
前言
DQLl25030堆取料机回转减速机采用大连重型机械厂生产的立式行星减速机，速比为685.147，该立轴采用40Cr材质，从断面上分析轴的断裂部位为变径处直径为220mm，此处为应力集中部位，容易发生断裂。从轴的断裂界面看，轴是由外向内依次断裂，轴的外圈前期已经发生开裂，内部开裂部位为新撕裂不部位，整个断口呈暗灰色，断裂平面不平整，有严重的塑性变形，产生这种情况的原因是立轴受到超负荷的扭矩，再加上斗轮机使用年限较长使得立轴疲劳断裂。
1、断口分析
从断口看，有明显的三个区域即裂纹源区、扩展区和瞬断区，属典型的疲劳断裂。断口比较扁平，裂纹扩展前沿线两侧的裂纹扩展速度较大，瞬断区在裂纹源的对面，由此可见，失效轴主要受旋转弯曲应力，而从瞬断区较小。根据上述断口分析结果及断裂形貌，认为轴断裂属中等名义应力集中条件的旋转弯曲产生的疲劳断裂。轴在承受旋转弯曲应力的作用下，由于轴的表面硬度较低，加上轴肩应力集中，使轴在正常工作应力下在轴肩处过早的产生疲劳裂纹，随着循环载荷的作用，疲劳裂纹不断向基体内扩展，致使轴的有效承载尺寸减少，最后导致轴的断裂。
2、引起轴断裂的原因分析
2.1 回转轴承范卡造成扭矩加大
回转减速机驱动回转轴承进行旋转，由于回转轴承的工作环境比较恶劣，回转轴承的密封不严进入煤粉，造成回转轴承卡涩，回转轴承润滑不及时，回转圆柱磨损，造成回转轴承异常响声，回转减速机传动力矩加大，减速机长期超负荷运行可造成立轴断裂。
2.2 减速机振动超标
回转减速机承载回转力矩较大，在运行中减速机瞬间停止或瞬间启动造成对减速机冲击，长时间运行减速机地脚螺栓松动，减速机的振动加大，运转过程中传动轴晃动加剧，引起输出轴断裂。
2.3 回转减速机立轴连接的小齿圈与回转轴承啮合不好
齿轮啮合状况的好坏对回转机构都有着重要的影响假，如齿轮副侧隙过大或齿轮啮合面积太小，会造成传动齿轮的磨损过快甚至断裂，如果回转齿轮副侧隙过小，则增大了回转机构的传动扭矩，当传动扭矩超过回转机构的额定载荷时，就会致使回转减速机超载立轴断轴。
2.4 回转减速机装配中心不正
回转减速机大修后安装尺寸变化造成立轴不正，在日常检修中立轴的垂直度只是靠目测，没有使用精确的测量工具，有可能造成减速机垂直度不高，立轴不正，存在误差。正确装配的减速机在运转时只承受扭矩，运行平稳，没有脉冲，如果减速机安装时立轴不正，运行过程中就会受到来自回转轴承的径向力，径向力迫使立轴弯曲，同心度慢慢加大，径向力使得立轴局部温度升高，金属结构不断破坏，最终导致立轴金属疲劳折断。
2.5 堆取料机行走取煤造成回转减速机频繁超载
堆取料机在行走过程中采煤量的大小和运行方式会产生对立轴的影响，如果行走过程中采煤量较大而且行走速度和回转速度不同步就会造成回转支架受力，对回转减速机有一定的冲击力，造成回转立轴在工作过程中受力不均，回转轴频繁过载，也是产生轴断裂的主要因素。
2.6 轴的化学成分不符合技术要求
回转减速机的立轴采用40Cr材质，如果该轴含碳量太低，则造成钢的强度、韧性降低，最终影响其承受冲击载荷的能力；Cr含量低于标准值，则将会导致材料的淬透性偏低，淬火时不利于得到马氏体身强度，而且是应力集中处，继而造成为裂纹源，将会加速轴的疲劳断裂。
2.7 立轴变径处的设计不合理，加工质量存在缺陷
减速机立轴根部圆角半径过小，产生的应力集中很大，该轴断裂处在设计和加工质量上容易被忽视，造成结构不合理和表面加工质量不高，表面不光洁。在交变应力的作用下在根部形成初始微裂纹，成为裂纹源，在对称循环交变扭转剪应力的作用下，轴的根部有较大的应力集中，此处的扭转工作剪应力很大，而此时减速机输出轴立轴根部的疲劳极限又大的、大大降低，其结果必然是会导致轴根部截面外边缘处的交变扭转最大剪应力大于该处轴的疲劳极限，这样在轴的根部外表面就形成疲劳微裂纹。在交变应力作用下，裂纹由外表面不断向内表面扩大，在反复扭转过程中，外边缘裂纹裂开的两个面相互摩擦，即形成了断口面上的接近外表的光滑区，随着光滑区不断的扩大，轴根部的实际工作截面不断向中心缩小，最后在最大交变剪应力的作用下，截面突然扭断，就形成了断口面上的中间部位的粗糙颗粒状的区域，由此可见轴断裂是与其自身结构、尺寸和表面粗糙度有关的。
3、采取措施
3.1 提高减速机立轴的加工质量，合理设计变径处的圆角，从减速机立轴断裂的原因分析看，要避免轴的疲劳断裂情况发生，一方面提高轴的疲劳极限，另一方面设法降低轴扭转时的最大剪应力。对轴的改进措施是首先改变外形，在轴变截面处直接用圆角过度并加大圆角变径，其次提高轴的加工质量，减提高轴的抗疲劳强度，在轴的热处理锻造工艺上要严格按照工艺标准进行加工。
3.2 加强质量验收，在满足各种加工尺寸和加工精度后，对加工后的回转立进行进一步的检测，对立轴进行硬度测试和超声波探伤，对立轴的材质进行分析，确保其化学成分符合技术要求。
3.3 加强检修质量，回转减速机在检修过程中，严格按照检修标准对回转轴进行找正，控制好回转立轴装配的小齿圈与回转轴承齿圈的啮合量；在固定减速机时加固回转减速机地脚螺栓的固定方式，减速机采用双止口定位，并且在回转减速机结合面焊接挡铁，控制回转减速机的晃动量，减少立轴对回转机构的脉冲。
3.4 安装限力矩装置，如有条件可在在堆取料机减速机上加装限力矩装置，根据电机输出轴与减速机输入轴传递扭矩的数据来设定限力矩装置的力矩数值，进行限力矩装置弹簧的选型。由此实现当回转减速机的传递扭矩小于设定扭矩时，堆取料机可正常运行，当减速机传递扭矩大于设定扭矩时，限力矩装置动作，堆取料机停止运行，这样可对整个减速机进行保护，消除设备的安全隐患。
3.5 对回转轴承进行全面检查，有必要时对回转轴承解体检查，查看回转轴承珠粒的磨损情况，检查轴承滑道是否有磨损，对回转轴承进行清洗，更换轴承的密封，紧固回转轴承的地脚螺栓，及时对轴承进行润滑，确保回转轴承稳定运行，减少回转减速机立轴的回转力矩。
3.6 加强煤场管理，对设备的运行方式严格控制，尽量减少不回转行走取煤，对清扫人员进行严格管理，及时清扫回转轴承处的积煤，杜绝回转机构超载运行。
结束语：回转减速机立轴是堆取料机中重要的传动部分，该轴的制造工艺及安装标准都比较高，对回转立轴的材料性能要求也高，如果化学成分不符合技术要求、锻造加热温度过高、应力集中、热处理工艺控制不当等是造成轴产生断裂的原因，因此在制作过程中或由于设计不当造成的。因此在制造过程中应严格控制包括机加工和热处理的每个环节，并且合理设计轴的结构。同时回转减速机立轴的安装工艺要求同样重要，在检修装备配过程中要严把质量关，减少使得轴断裂的因素，提高设备可靠性。