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1、前言
    球磨機齒輪軸是選礦廠的主要機械備件，加工周期長、費用較高。齒輪軸性能的好壞直接影響著球磨機的整體性能，如果頻繁出現(xiàn)故障，不僅嚴重地影響選礦廠的正常生產，而且導致備件費用居高不下。
酒鋼選礦廠∮3.2 m×3.1 m球磨機傳動采用同步電動機帶動齒輪軸轉動，齒輪軸與球磨機外表面上的齒圈嚙合，帶動球磨機工作的傳動方式。同步電動機與齒輪軸之間采用彈性聯(lián)接方式，電機型號TDMK600 - 24/2150、功率600 kW、轉速250 r/min。球磨機轉速l8r/min。齒輪軸采用38CrMnNi材質，調質處理后硬度HB =240一269，齒面火焰淬火硬度RC =35 ~38。齒輪軸的損壞形式主要有：齒輪軸從軸頸根部斷裂、齒輪軸從輪齒中部斷裂、輪齒磨損、齒輪軸與軸承配合面磨損。
富通新能源銷售球磨機、雷蒙磨粉機等磨機設備。
2、齒輪軸從軸頸根部斷裂
2.1  軸的斷口分析
    軸的斷口呈暗灰色，有裂紋且呈放射狀，在其中心部位，斷口比較齊整，顏色較亮。由斷口形貌可確定斷裂源在軸橫截面外圓區(qū)內，裂紋起源于焊接過渡圓角處，此處為應力集中源，軸的芯部為高速瞬斷區(qū)，瞬斷區(qū)的前部即為疲勞擴展區(qū)，在該區(qū)明顯看到有波紋線，宏觀塑性變形小，說明脆性嚴重。
2.2 軸的力學分析
    由斷口分析可知，軸為疲勞斷裂。通過用安全系數(shù)法對軸進行疲勞強度校核，發(fā)現(xiàn)其疲勞強度足夠，所以造成軸疲勞斷裂可能是材質不均或其它原因。
2.3 軸的理化檢驗與分析
    為了進一步分析軸斷裂的原因，還需進行理化分析檢驗。在斷口上由軸外圓向里截取金相顯微試樣，放在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)表層至里1.5 ~2 mm是一層枝晶狀鐵素體夾少量珠光體，它是焊條焊接后未經過適當熱處理的原始組織，其沖擊韌度值與設計規(guī)范值相差甚遠，再向里有比較粗大的珠光體和鐵素體晶粒，它是由材料過熱所致，造成其機械性能下降，特別是沖擊韌性下降。按技術條件，該軸進行調質處理，金相組織應為回火索氏體，但結果不符，說明熱處理工藝沒有達到技術要求，并且脆性夾雜雜物超標／級，有疏松組織存在，嚴重地降低了軸的疲勞強度。
2.4 軸斷裂的原因
2.4.1 嚴重的應力集中
    軸頸中200 mm處的軸肩過渡圓角過小(R角為3 mm)，軸在磨損后，進行補焊時，破壞了原有軸肩過渡“R”角的形狀，幾乎無過渡圓角，呈直角，此處存在嚴重的應力集中，在彎扭應力作用下產生疲勞裂紋，這是軸斷裂的主要原因。
2.4.2 焊接殘余應力大
    通過對軸斷口的金相組織分析可知，軸的焊接部分未進行適當?shù)臒崽幚恚�焊接殘余應力較大，導致軸抗交變應力下降，一旦遇上振動，極易產生裂紋。
2.4.3 材質的缺陷
     由軸的理化檢驗和分析可知，軸的材質有疏松組織，夾雜物超級／標，堆焊修理后未能進行適當熱處理，未能改善組織和補償缺陷，從而軸的金相組織未能達到調質處理的回火索氏體，使得沖擊韌度值過低，軸在交變載荷作用下，裂紋以很快的速度擴展到芯部，最后全部斷裂。
2.4.4 負荷過大
    齒輪軸工作時，承受較大的彎矩和扭矩，同時還存在附加動負荷，一旦遇到振動、過載、起動及多次重負荷沖擊時，軸容易產生裂紋而斷裂。
2.5 防止軸斷裂的方案
    (1)加大過渡圓角，以減小應力集中。過渡圓角由原先的R3 mm增大到R5 mm。此外，一經發(fā)現(xiàn)軸磨損，就馬上進行修復，在修復過程中要把好軸過渡圓角的關，使其與設計圖紙相符。
    (2)軸從加工到安裝要嚴格按圖紙要求，探傷檢查鍛造質量，采用正確的調質處理，以保證良好的金相組織。為了提高軸頸的耐磨性，還應對軸頸處進行高頻表面淬火和低溫回火處理，并嚴格執(zhí)行操作規(guī)程。
    (3),嚴禁球磨機過載和沖擊振動，加強設備的維護和保養(yǎng)，定期檢查齒輪和軸承的運行狀況，一旦發(fā)現(xiàn)軸承跑內圈，應及時進行修復。
    (4)推廣動靜壓主軸承技術。應用動靜壓軸承的球磨機啟動前高壓油泵運轉，當高壓油壓力達到設定值時，球磨機將在壓力油作用下浮起，球磨機中空軸與主軸承被機械油隔開，啟動力矩較傳統(tǒng)主軸承球磨機啟動力矩大大減小。
    (5)推廣氣動離合器技術。啟動球磨機時，同步電動機空轉而球磨機不動，氣動離合器抱閘緩慢將齒輪軸抱住，避免了沖擊。
3、齒輪軸從輪齒中部斷裂
3.1  受力分析
    ∮3.2 m×3.1 m球磨機齒輪軸主要受彎矩、扭矩作用。扭矩的危險斷面在軸徑最細處，齒輪軸卻從中部直徑最大處斷裂，說明齒輪軸在加工過程中存在缺陷。
3.2  防止軸斷裂的方案
    (1)齒輪軸毛坯加工完畢，進行時效處理，消除內部應力。
    (2)齒輪軸加式完畢，進行噴丸處理，增強表面的耐磨性。
4、齒輪軸輪齒磨損
4.1 輪齒磨損原因
    齒輪軸的輪齒表面硬度小于大齒圄的輪齒表面硬度，且長期在較惡劣環(huán)境下滿負荷、重載工作，齒面經常附著礦漿顆粒。因此齒輪軸的耐磨性能較難提高。粘著磨損、顆粒磨損及摩擦磨損是齒輪軸的主要磨損形式。
4.2防止齒輪軸輪齒磨損的方案
    (1)改善齒輪軸與大齒圈的嚙合條件，采用自動噴霧潤滑方式，噴射高黏度潤滑油。
    (2)改善大齒圈與齒輪軸的密封方式，避免齒輪表面濺人礦漿。
    (3)對磨損的齒輪軸進行修復。①常規(guī)修復：用手工電弧焊對輪齒表面進行補焊，再上滾齒機對輪齒進行加工。②FCM - KM技術修復：對輪齒表面進行清理、澆鑄，由內向外分別形成結合層、過渡層、工作層。結合層主要元素由C、Mn、Cr、B等組成，以珠光體為主，用以改變與原材質的金相結構，增強其結合部位的沖擊韌性，達到恢復尺寸和過渡硬化的目的。過度層主要元素由W、Mn、Cr、N等組成，目的是增強各層之間的融合性能，進一步解決金屬與金屬之間的粘著磨損、摩擦磨損、顆粒磨損，起到既耐磨又減磨的作用。工作層以奧氏體雙相耐磨合金為主，主要元素由Co、cr、Ti、W、Mn等組成，保證金屬的金相結構有較高的抗高應力磨損性能。使用FGM - KM技術修復過的中3.2 mx3.1 m球磨機齒輪軸實際使用周期與新齒輪軸接近。
5、齒輪軸與軸承配合面磨損
5.1 齒輪軸與軸承配臺面磨損原因
    球磨機齒輪軸長期使用后，軸與軸承內圈配合較松，造成軸與軸承內圈相對轉動，即“跑內圈”并引起軸承內圈在軸上滑動而使軸磨損加劇。一旦軸承“跑內圈”，磨機傳動振動劇烈、同步機軸瓦竄動，必須要停車檢修。
5.2 防止齒輪軸輪齒磨損的方案
    (1)軸與軸承選擇適當?shù)呐浜稀］S與軸承的配合不能太松也不能太緊，太松會引起軸承內圈在軸上滑動而使配合面磨損，相反過盈量太大，應力集中就會增加，使軸的疲勞強度降低。應該由過去的m6配合改為p6配合，從而避免軸承“跑內圈”。
    (2)軸與軸承內圈配合∮200mm軸頸處磨損量較小時（磨損深度小于0.5 mm），使用樂泰膠進行修補效果較好。首先把軸面清洗干凈再用氣焊進行吹掃。在軸表面均勻涂抹促進劑7649，再抹上修補劑660．最后安裝上軸承。
    (3)軸與軸承內圈配合中200 mm軸頸處磨損量較大時(磨損深度大于0.5 mm)只能用電焊或金屬噴涂方式進行修補。電焊堆焊軸磨損面易造成齒輪軸使用時突然斷裂，不宜采用。使用金屬噴涂則可保持齒輪軸的熱處理性能穩(wěn)定、效果較好。
    (4)減小球磨機齒輪軸振動量對于延長齒輪軸使用壽命極為有利。
    除了上述幾方面工作外，酒鋼選礦廠在檢修時認真調整裝配尺寸，使兩嚙合齒輪中心線平行度偏差量、齒輪副的側間隙、頂間隙、沿齒寬接觸面、沿齒高接觸面等裝配數(shù)據(jù)符合檢修標準。