煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸斷裂原因分析

張雪超，張 濤，陳 浩，李 紅，圖 嘎

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

某電廠細(xì)碎機(jī)啟動后，值班員發(fā)現(xiàn)4號皮帶攝像頭全是煤粉，隨即停止細(xì)碎機(jī)運(yùn)行，并聯(lián)系運(yùn)行人員就地檢查，發(fā)現(xiàn)細(xì)碎機(jī)液耦飛出至細(xì)碎機(jī)東墻處，細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)子軸斷裂。該煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸材質(zhì)為45鋼，直徑為140 mm。為探究該轉(zhuǎn)軸斷裂的原因，防止此類事件發(fā)生，采用外觀形貌分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢測、顯微組織檢測及斷口微區(qū)分析等試驗(yàn)方法進(jìn)行綜合分析。

1 檢驗(yàn)方法與分析

1.1 宏觀形貌檢驗(yàn)與分析

對斷裂的煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行宏觀形貌檢驗(yàn)。煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸斷裂于直徑由140 mm向132 mm突變的變截面周向卡槽的倒角部位，倒角部位加工較為粗糙且未見明顯的過渡圓角；斷口表面整體較為齊平，未見明顯的塑性變形，斷口上初始斷裂區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)等特征區(qū)域清晰可辨；在斷口擴(kuò)展區(qū)，可見較為清晰的疲勞條紋。斷口表面機(jī)械損傷較為嚴(yán)重，但仍可看出斷口表面大部分區(qū)域?yàn)閿U(kuò)展區(qū)，最后瞬斷區(qū)所占面積僅為斷口總面積的10%；說明轉(zhuǎn)軸是在高周低應(yīng)力載荷狀態(tài)下發(fā)生的疲勞斷裂。煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸整體及斷口宏觀形貌如圖1所示。

1.2 斷口微區(qū)檢測與分析

利用掃描電子顯微鏡（SEM）對煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸斷口進(jìn)行檢測。斷裂起始于軸體變截面的尖銳倒角部位，斷口大部分區(qū)域以疲勞的方式進(jìn)行擴(kuò)展，局部伴有二次撕裂形貌；瞬斷區(qū)域則呈現(xiàn)較為明顯的脆性解理斷裂形貌，如圖2所示。

圖1 煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸整體及斷口宏觀形貌

圖2 煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸斷口SEM形貌

1.3 化學(xué)成分檢測與分析

按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定 火花源放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》［1］要求，利用 SPECZROMAXx 型臺式直讀光譜儀，對煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測數(shù)據(jù)見表1。結(jié)果表明，煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸化學(xué)成分中各元素含量與GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中45鋼的化學(xué)成分含量相符。

表1 煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸45鋼化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1.4 顯微組織檢測與分析

按照DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗(yàn)與評定技術(shù)導(dǎo)則》［2］要求，利用 Axio Observer.A1m 型金相顯微鏡對煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸取樣進(jìn)行金相顯微組織檢測。可以看出，煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸整個橫截面上的組織均為珠光體和沿晶界分布的網(wǎng)狀鐵素體，平均晶粒度為7級，組織局部存在帶狀偏析，偏析帶處存在較為嚴(yán)重的夾雜物，夾雜物為2級粗系硫化物，如圖3所示。

圖3 斷裂的煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸各部位組織

1.5 力學(xué)性能檢測與分析

按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1 部分：試驗(yàn)方法》［3］要求，利用 CMT5305 型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，對斷裂煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行常溫拉伸性能檢測；按照GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》［4］要求，利用沖擊試驗(yàn)機(jī)，對斷裂的煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸取樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，檢測結(jié)果見表2?？梢钥闯觯悍奂?xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求；斷后伸長率和沖擊吸收功符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 轉(zhuǎn)軸各項(xiàng)常溫力學(xué)性能測試結(jié)果（20℃）

2 結(jié)果與討論

煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸存在8 mm臺階變截面且倒角部位加工粗糙，形成明顯的應(yīng)力集中區(qū)域；斷口截面斷裂特征區(qū)域明顯，且在斷口擴(kuò)展區(qū)，可見清晰疲勞條紋，說明轉(zhuǎn)軸是在循環(huán)載荷下發(fā)生疲勞斷裂。

設(shè)備運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)軸作為動力傳遞的關(guān)鍵部位，既承受沿軸向的拉應(yīng)力，又承受轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的切應(yīng)力，同時在運(yùn)行設(shè)備的振動中也會有彎曲應(yīng)力，而該轉(zhuǎn)軸的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求，長時間的拉伸和彎曲下，該轉(zhuǎn)軸無法承受應(yīng)力，便萌生裂紋源。

此外，轉(zhuǎn)軸基體組織中存在帶狀偏析，偏析帶處存在較為嚴(yán)重的夾雜物，破壞了材料的完整性，會嚴(yán)重降低材料基體的強(qiáng)度和韌性；使得轉(zhuǎn)軸材料的韌性儲備不足，抵抗疲勞開裂與抗裂紋擴(kuò)展的能力較弱。

3 結(jié)論與建議

本次煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸斷裂的主要原因有以下兩點(diǎn)：軸體的變截面處未設(shè)置過渡倒角且加工粗糙，使得該位置存在較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中［5］；軸體材料加工階段未進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理［6］，造成轉(zhuǎn)軸組織狀態(tài)及力學(xué)性能均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸運(yùn)行過程中，在以循環(huán)扭轉(zhuǎn)載荷為主的復(fù)雜工況作用下，在變截面的應(yīng)力集中部位形成裂紋缺陷，并快速擴(kuò)展引發(fā)軸體高周低應(yīng)力水平的疲勞斷裂［7－8］。

為避免再次發(fā)生類似轉(zhuǎn)軸斷裂失效事件，首先，應(yīng)從進(jìn)貨源頭控制碎煤機(jī)轉(zhuǎn)軸材料的質(zhì)量，選用經(jīng)合格熱處理工藝、組織和性能合格的材料制作的轉(zhuǎn)軸；其次，轉(zhuǎn)軸上變截面部位的機(jī)械加工應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行過渡，并提高加工精度；最后，應(yīng)避免極端工況的出現(xiàn)，避免煤粉細(xì)碎機(jī)轉(zhuǎn)軸承受異常載荷，以免再次出現(xiàn)類似轉(zhuǎn)軸斷裂失效事件。