国产新型乳化液泵输入轴断裂原因探究_贾琛.pdf

青青年年论论坛坛 国产新型乳化液泵输入轴断裂原因探究 贾琛，郭新伟，苏哲，李然，王伟 北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京 100013 ［ 摘 要］针对某矿所使用的新型乳化液泵输入轴断裂问题，基于材料力学、机械动力学等理 论，采用材料成分分析、金相分析等方法，结合有限元分析等仿真手段，探究断轴发生的原因。试验 结果表明材质选择、零件设计以及产品热处理工艺等均满足要求。而在有限元分析的结果中验证联轴 器装配偏心会造成输入轴形变，并最终导致输入轴断裂。因此重视传动设备的偏心调整是保护设备使 用安全的重要手段。 ［ 关键词］乳化液泵; 输入轴; 断裂; 金相分析; 有限元分析 ［ 中图分类号］ TH137. 52［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201703- 0100- 04 Reasons Analysis of Shaft Breakage of New Type Emulsion Pump in Domestic JIA Chen，GUO Xin- wei，SU Zhe，LI Ran，WANG Wei Beijing Tiandi- Macro Elector- Hydraulic Control System Co. ，Ltd. ，Beijing 100013 Abstract To the problem of shaft breakage of new type emulsion pump in one coal mine，based on some theory as material me- chanics，mechanical dynamics and so on，the breakage reasons were analyzed by material component analysis，metallographic analy- sis with finite element analysis. The test results showed that material，detailing design and production hot treatment process meet the demands. shaft deation would appeared after coupler off- center arrangement was vertified by finite element analysis，and then shaft breakage would appeared，so driving devices off center adjustment was important for equipment safety. Key words emulsion pump; shaft; breakage; metallographic analysis; finite element analysis ［ 收稿日期］ 2017－01－29［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2017. 03. 029 ［ 基金项目］ 发改委能源自主创新及重点产业振兴和技术改造 能源装备项目 发改投资 20151780 号 ;中国煤炭科工集团科技创 新基金资助项目 2014ZD006 ; 天地科技技术创新基金 2014TDGZZD－01 ［ 作者简介］ 贾琛 1989－ ，男，北京人，助理工程师，硕士，主要从事矿用高压大流量柱塞往复泵研发工作。 ［ 引用格式］ 贾琛，郭新伟，苏哲，等 . 国产新型乳化液泵输入轴断裂原因探究 ［J］． 煤矿开采，2017，22 3 100－103. 乳化液泵作为煤矿综采自动化中的基础核心设 备，是为液压支架和自移式设备列车提供液压动 力 ［1－3 ］的装备。乳化液泵减速系统是将电能转化为 液压能的中间枢纽，在泵站系统中起到至关重要的 作用 ［4 ］。输入轴作为电机与泵站减速箱直接连接 部件，其结构与曲轴连杆一同确定了减速箱的空间 尺寸; 同时输入轴强度也是保证泵站减速系统安全 稳定的重要因素之一 ［5－6 ］。通过众多失效分析总 结，疲劳断裂是轴类零部件失效的首要原因 ［7－8 ］。 由于输入轴通常会有部分暴露在箱体外面，因此输 入轴的失效在箱体内会连带曲轴连杆等零部件损 坏，在箱体外会威胁到泵站附近人机安全，严重情 况导致人员伤亡 ［9 ］。 某矿工作面投入 2 台国产某新型乳化液泵站， 该泵额定流量 400L/min，额定压力 37. 5MPa，井 下使用 2 个月时间，其中 1 台泵站发生输入轴断 裂，由于断裂位置在箱体外，且有防护罩保护，没 有造成人员方面的伤害。为了防止此类事故再次发 生，同时确认此次断轴事故的原因，笔者通过对断 裂的输入轴的化学成分、断口分析、金相分析等方 面进行探究，再结合有限元分析计算，综合判断该 输入轴断裂的原因。 1宏观断口分析 该泵的输入轴断裂位置为与联轴器相连的轴头 位置 图 1 ，断口截面平整，与轴向呈直角，截 面由于旋转摩擦，仅能看到疑似半圆弧形裂纹扩展 停止线，这是疲劳断裂典型的结构特征。根据断口 纹路判断，裂纹初始沿键槽边缘开始发散。逐渐形 成半圆弧纹路，断裂进入稳定状态。随着断裂逐渐 扩展，依然相连的部位强度逐渐承受不住持续的弯 扭，最终导致轴头部分的脆性断裂 图 2 。 图 1输入轴断裂位置 从断裂轴头上取样进行硬度测试，测试结果显 示芯 部 硬 度 为 32 ～ 33HRC，表 面 硬 度 平 均 为 001 第 22 卷 第 3 期 总第 136 期 2017 年 6 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 22No. 3 Series No. 136 June2017 ChaoXing 图 2齿轮轴断口部位 448HV，呈现外硬内软的渗氮处理特征，再通过硬 度梯度法检验确认断轴样本的硬化层深度为 0. 45mm 图 3 。 图 3硬度梯度法硬化层深度检验 2输入轴材料检验分析 在断轴上取样，对材料化学成分进行分析，其 分析结果如表 1 所示，由此看出输入轴材料为某种 高强度合金结构钢。 通过酸浸法检验材料低倍组织检验 图 4 ， 其结果为 1 级，验证结果正常。金相组织分析，样 本由图 5 显示断轴基体组织结构为回火索氏体和少 量铁素体。非金属夹杂物为 0. 5 级，满足 GB10561 －2005T 所规定的等级标准 图 6 。在对其带状组 织观察比对，等级为 1. 5，低于 ASTM E 1268 － 2001 所规定的 3 级 图 7 。 对材料进行力学分析，并分别与该型材料国标 和德标进行比对，在各项指标中均满足两标准要求 表 2 。 通过对材料化学成分分析、金相组织分析和力 学分析，可以推断出该齿轮轴的材料选择、热处理 工艺和机加工工艺均满足使用要求，所以可以排除 输入轴因以上原因所导致断裂的可能性。 表 1材料化学成分分析 / 检测元素CSiMnSCrNiMoCoCuVP 试样 10. 16 0. 6570. 7380. 00591. 681. 550. 2670. 3610. 104// 试样 20. 16 0. 6860. 7830. 00591. 661. 530. 2620. 2450. 0820. 027/ 对标范围0. 14～0. 2≤0. 40. 6～0. 9≤0. 0350. 8～1. 11. 2～1. 50. 15～0. 25///≤0. 035 图 4酸浸低倍组织检验 图 5基体组织视图 表 2断轴试样力学分析 抗拉强度 /MPa 屈服强 度/MPa 延伸率 / 断面收 缩率/ 备注 实测值1080. 33 －13. 3762. 4 未显示 屈服强度 国标＞980＞785＞9＞40 德标980～ 1270＞685＞8＞35直径大于 60 图 6非金属夹杂物 100 倍视图 图 7带状组织 100 倍视图 3输入轴强度校核和有限元分析 3. 1输入轴强度校核 大齿轮传递的扭矩应为泵处于额定负荷下的扭 101 贾琛等 国产新型乳化液泵输入轴断裂原因探究2017 年第 3 期 ChaoXing 矩，其额定扭矩为 M额 PQ1000 2πn/60 23/7860 5955. 18 Nm 1 式中，P 为乳化液泵额定压力，37. 5MPa; Q 为理 论额定流量，436. 7L/min;n 为电机额定转速， 1485rpm。 按电机功率计算扭矩 M电 1000P电 2πn/60 23/7860 6872. 94 Nm 2 式中，P电为电机额定功率，315kW。 考虑到正常工作时齿轮轴所承受的最大扭矩为 电机额定工作状态下曲轴传递的扭矩，齿轮轴最大 扭矩为 M齿 M电 i 2027. 42 Nm 3 式中，M齿为齿轮轴所受扭矩，i 为齿轮副转速比， 3. 39。 在输入轴工作时，其受到电机输入扭矩与曲轴 传递过来的周向力的作用，该周向力可以简化成一 个通过轴心力 P 和一个力偶 M 图 8 。通过计算 得到当曲轴的角度转到第一列连杆到 210时，连 杆滑块传递给曲轴并作用在曲轴上的扭矩最大为 12656Nm，计算曲轴和齿轮轴在这种受力状况下 的应力状态。此时，曲轴受到齿轮轴传过来的周向 力，2 个连杆的推力，以及轴承的支反力，以此为 边界条件，进行计算。而在曲轴受到最大扭矩时， 齿轮轴受到的周向力为 Ft Me id1/2 72141 N 4 式中，Ft为齿轮轴所受周向力，12656Nm; d1为 齿轮轴齿轮分度圆直径，0. 1035m。 图 8齿轮轴受力 输入轴受到人字齿轮传递的径向力和扭矩的作用， 应用理论分析方法，对输入轴的强度和挠度进行分析。 由于人字齿轴向力为 0，因此所受齿轮力为圆 周力 Ft与径向力 Fr的合力 F Ft2 F r 槡 2 F t 1 tan αn cosβ 槡 2 59368.7 N 5 式中，αn为法向压力角，20; β 为螺旋角，18。 输入轴受到周向力和轴承的支反力的作用，以 此代入边界条件，得到结果如图 9 所示，由图中可 以看到，主动轴在应力最大点应力为 358. 27MPa。 图 9齿轮轴受力有限元分析 对比齿轮轴的材料性能，抗拉强度为 980 ～ 1270MPa，屈服强度为 685MPa，因此输入轴的最 大应力远小于强度要求;输入轴最大位移为 1. 623 10－2 mm，也远远小于输入轴的长度和两齿轮件的 跨度，因此挠度方面也满足设计要求。 3. 2条件假设与有限元分析 在正常条件下，假设在联轴器使用时产生的转 矩对轴头处有影响，安装位置即轴头位置施加一个 与齿轮处反向的转矩 2027Nm，在远端轴承位设 为固定铰接夹具，齿轮轴向端面选用滑竿滚柱夹 具，齿轮处载荷分解为一个径向力与一个转矩，径 向力设为 72141N，转矩设为 2027Nm。 通过仿真结果 图 10可以看出，正常在轴 头位置加载转矩，对轴头并无明显影响。 图 10正常加载条件下齿轮轴受力仿真结果 为简化运算模型设置，仅在近轴头的轴承位置 设固定铰接夹具，并在轴头位置施转矩。通过图 11 可以看出，虽然轴头位置因转矩造成的应力比 之前有明显增大，且应力变化区域与实际断裂位置 基本吻合，但仍不足以对轴头产生影响。 图 11简化加载条件下齿轮轴受力仿真结果 以上 2 种边界设定均不能证明联轴器所产生的 扭矩会使轴头发生此次断裂事故。 根据机械设计手册中齿轮轴设计说明 ［10 ］，联 轴器因制造及安装误差所产生的附加圆周力 201 总第 136 期煤矿开采2017 年第 3 期 ChaoXing F0 0. 32T D1 6082 N 6 式中，T 为齿轮轴所受扭矩，2027. 42Nm; D1为 联轴器作用直径，0. 2m。 由于 F0方向不定，根据现场情况了解，电机 轴与该输入轴在竖直方向上有明显的不同轴情况， 因此将 F0设置在轴头边缘垂直于键槽向下位置， 其余边界条件不变。通过图 12 可以看出附加圆周 力对轴头位置施加弯矩，使得轴头位置产生明显形 变，最大应力位置超过材料的屈服强度，仿真结果 与实际事故情况基本符合，因此电机与泵间两轴不 同轴是导致此次轴头断裂事故的主要原因。 图 12施加弯矩后齿轮轴受力仿真结果 4结论与猜想 1通过对断轴的材质成分、金相分析和断 口分析，确认断轴的材质、设计、热处理工艺等满 足要求，不是造成轴头断裂的原因。 2通过对断轴现象正常加载、简化加载等 有限元分析，确认正常工况下不会导致轴头断裂。 3根据现场实际发现偏心的情况进行仿真 分析，确认偏心运转时输入轴轴头处承受外界较大 的弯矩，造成轴头薄弱位置受到的应力超过材料的 屈服强度，最终导致断裂。 4根据现场反馈情况，在注意日常维护时 注意联轴器对中后，泵站运转正常至今，未出现轴 头断裂以及联轴器损坏等情况。通过以上结论笔者 进一步猜测 1断轴位置并非在不同轴径间的台阶位置， 是否键槽位置存在损伤 2断轴是否还有其他原因导致 通过本次对断轴事故的分析，可以看出偏心对 输入轴工况有很大影响，现场与仿真结果相对应能 确认联轴器偏心是此次断轴的主因，联轴器两端调 平是对轴保护的重要方式，在重视联轴器调平后， 类似事故未再出现，因此检查联轴器两端是否调平 需要在设备的实际使用中得到足够的重视。对于此 次断轴情况，笔者还将进一步去关注和探究。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 李然 . 矿用高压大流量乳化液泵站应用现状及发展趋势 ［J］． 煤炭科学技术，2015，43 7 93－96. ［ 2］ 雷旻，梁益龙，万明攀，等 . 减速机高速齿轮轴断裂失效 分析 ［J］． 金属热处理，2007，32 S1 234－238. ［ 3］ 李然，贾琛，叶 健，等 . 高压大流量乳化液泵站可靠 性分析与研究 ［J］． 煤矿开采，2016，21 5 29－32. ［ 4］ 李风伟 . 乳化液泵的可靠性分析及管理研究 ［D］． 西安西 安科技大学，2014. ［ 5］ 李然，王伟，苏 哲 . 高压大流量乳化液泵曲轴疲劳强 度分析 ［J］． 煤矿开采，2014，19 1 45－48. ［ 6］ 王伟 . 矿用带式输送机减速器输入轴断裂分析及对策 ［J］． 煤炭科学技术，2009，37 8 67－69. ［ 7］ 陈南平，顾守仁 . 机械零件失效分析 ［M］． 北京清华大学 出版社，1987. ［ 8］ 王伟 . 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