LJB2000拌合轴断裂分析

摘 要：通过对断裂的拌合轴的成分，组织，结构等方面进行试验分析，结果表明拌合轴断裂是由于装配的瑕疵，使拌合轴转动受阻，弯曲应力增加，而产生的旋转弯曲疲劳断裂。

关键词：45钢 拌合轴 旋转弯曲疲劳

中图分类号：TK407 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（b）-0082-02

1 情况介绍

轴是机械传动的主要零件承受较大的冲击力，要求有较高的强度和足够的韧性。拌合轴是我公司生产的LJB2000拌和机的主要构件，工作条件艰苦，承受较大的轴向负荷。在施工现场发生了断裂。断裂发生在远离马达的那根轴上，在密封套的边缘，φ100的根部，差不多在缸的内壁处。

拌合轴传动端被扭断，轴承座、轴承全部断裂。断轴上的搅拌臂打弯一只，另一轴上的4根搅拌臂全都打弯。

技术要求：材料：45钢 调质处理，硬度 217～255 HB

2 断裂检查

2.1 硬度测量

对断轴进行了硬度测量，测量值为230～250 HB。

2.2 化学成分检测（表1）

2.3 金相检测

金相显微镜观察，断轴的金相组织为回火索氏体（图2）。

2.4 断口检查

轴的断口呈灰色，断面垂直于轴向，断口直径为100 mm，存在大量的疲劳撕裂棱和疲劳贝壳线。这些都是典型的疲劳断裂特征。其上有一个比较粗糙的近圆形区域，这是最后的过载断裂区。其偏离圆心，说明这是旋转弯曲疲劳断裂。由于最后断裂区呈均匀细致的纤维状，说明此轴有良好的韧性（如图3）。

密封套：表面上有明显的损伤。这些损伤呈圆周型，深度可达1～2 mm，应该是与装配套筒发生较长时间非正常摩擦导致的（如图4）。

轴承内圈：可以看到内圈表面非常光滑，没有明显的划痕、损伤等，说明轴承的运行比较正常。（如图1）。

轴承座：轴承座从上至下已断成两半，但基本没有材料损失，为垂直纵向断裂，说明轴承座受到了左右（水平）方向的应力（如图5a）。

由于轴承座是铸铁件，比较脆，断口平直。断裂部位呈明显的脆性特征，说明轴承座的断裂极有可能是一次性过载的脆性断裂。断口有明显的锈蚀，腐蚀产物成深红色，也比较厚（如图6b）。

检查轴承座，发现除了断口右边内缘有一小段磨损外，其余部分没有明显的损伤痕迹，甚至连外圈的油漆都完好无损。这表明轴在转动过程中、甚至是在断裂后也没有任何部位与轴承座的外圈发生摩擦。轴承座的内表面靠近断口的地方还发现了两个明显的压痕，在断口边缘的压痕非常深，很显然是由轴承钢珠压成的。

仔细观察发现在断口的左边，存在一小段不太明显的断裂，断口的基本没有损伤，但是在断口的右边，却有一段明显的磨损，并且在磨损部位附近有一条弧型裂纹。

轴承座两边的固定孔。两个孔边缘均有一圈不同颜色的油漆痕迹，这应该是紧固螺栓的垫片位置。

断裂的紧固螺栓，这个螺栓是用来紧固轴承内圈与拌合轴的。但可以看到螺栓顶部的一半已经断裂，并且有明显的磨损，呈现过载断裂的特征。在正常工作情况下，螺栓顶部不可能与任何一个零部件发生磨损（如图7a）

在拌合轴上还应有另一颗紧固螺栓。这粒螺栓是内六角型，深入螺孔内部，但在断裂轴上没有发现这颗螺栓。螺孔的螺纹也没有任何的磨损。由此可以推断这个螺栓没有安装。（如图6b）。

3 分析讨论

通过对断裂的拌合轴的硬度，成分，组织检查，说明轴的成分，组织，性能均符合设计要求，没有明显的质量问题。

从断口形貌可以判断，拌合轴是由于旋转弯曲疲劳而导致的开裂。断裂起源于轴的几乎整个外圆表面。

一般而言，轴在正常的转动时只受到扭转应力，而旋转弯曲疲劳是由于拌合轴在运行过程中受到了交变的弯曲应力而导致的。

通过前面对轴、轴承内外套、轴承座等零部件的分析可以推断出失效的产生顺序。

（1）装配有瑕疵，加速了拌合轴旋转弯曲疲劳断裂。

①在运行过程中，轴承座紧固螺丝松懈，使得轴承座发生水平偏移，拌合轴也随之发生偏移，密封套与装配套筒有了接触，摩擦也就开始了。密封套与装配套筒发生较长时间非正常摩擦，加之偶尔存在的偏高的脉冲外外力，使得拌合轴所受到旋转弯曲应力增加。②拌合轴的内六角型紧固螺栓，没有安装，使得轴承和拌合轴之间不能很好的配合，增加了轴所承受到的弯曲应力。③又由于拌合轴的不同的轴肩的过渡为尖角过渡，加剧了应力集中，使发生多源的疲劳断裂成为可能。

（2）由于电机还在运转，在链条的作用下，断裂后的拌合轴发生较大的偏移扭转，这样就会使得轴承的运行方向发生改变，是轴承在转动不能自如进行，导致轴承外圈断裂，轴承的钢珠也就脱落，打在轴承座上。

（3）轴承外圈断裂，使得轴承座直接承受电机运转带来的较高的冲击力，加之铸铁本身的脆性，导致轴承座开裂。

（4）轴承座断裂分离，断裂后的拌合轴和轴承座底部发生接触，造成了轴承座底部上缘的磨损，及弧形裂纹的产生，与断裂事故无关。由于轴承内圈硬度较高（实测45HRC），轴承内圈表面没有留下摩擦痕迹。

4 结论

（1）拌合轴断裂属典型的旋转弯曲疲劳断裂。

（2）拌合轴发生旋转弯曲疲劳主要原因：装配有瑕疵，使拌合轴转动受阻，弯曲应力增加。