中空轴断裂的原因分析与焊接处理
2020-03-02 03:18:06 来源：范文大全收藏下载本文
中空轴断裂的原因分析与焊接处理
1、引言
中空轴是磨机非常关键的部件，它承受着整个磨体及研磨体的运转载荷，在交变应力作用下连续运行，是磨机机体最薄弱的环节，也是最难控制制造质量的机件。同时还是容易发生问题的磨体部件，特别是进、出料端的中空轴发生故障的相当多，磨机中空轴断裂是非常严重的设备故障。必须停机检修，以免造成“落磨”的重大设备事故。处理磨机中空轴断裂的技术难度比较大，检修周期长，劳动强度大，费工费时。处理不好还影响磨机的安全运行，容易继续引发各类设备故障，严重影响生产。我公司磨机进、出料端中空轴的断裂，经过严格细致的处理后，磨机一直安全稳定运行，没有发生任何不正常的问题，说明我们的处理是成功的。现就结合我公司的处理情况，对磨机进、出料端中空轴断裂的原因与处理作一分析总结、与各位同仁一起探讨。
2、磨机进、出料端中空轴断裂的基本情况
我公司由φ3×11m水泥磨自2000年7月投入运行以来，设备运行状况一直较好，该磨机的技术参数见表l；2005年5月31日白班停机检修时，发现右边磨尾中空轴靠内圈螺栓处大R角处环向有裂纹，刮开油污后发现裂纹长度为1250mm；吊开磨机后瓦盖后，又发现左边靠内圈螺栓处大R角处环向也有裂纹，刮开油污后发现长度为1060mm。左边裂纹在中空轴内圈法兰螺栓处，长度经过内圈法兰螺栓4个。右边裂纹在中空轴内圈法兰螺栓处，长度经过内圈法兰螺栓5个半。两个裂纹间距为内圈法兰螺栓3个半。两个裂纹为八字型，在中空轴内圈法兰螺栓和大R角外端处。
2005年6月2日白班11：00对磨头中空轴检查发现右边靠内圈螺栓处大R角处环向有裂纹，清除油污后发现裂纹长度为770mm，此裂纹在大R角中下部环向而且没有裂到螺栓孔处，这样就造成延伸的可能，所以在裂纹前面钻φ10mm的止孔前、后各一个。防止再次延伸。又继续清除油污发现左边靠内圈螺栓处大R角处环向也发现裂纹，长度为260mm左右。由于当时在处理磨尾的裂纹，磨机支顶起，不好转磨，下一半中空轴翻磨后才可以检查是否裂纹。此裂纹在大R角中下部环向而且没有裂到螺栓孔处，这样我们继续钻孔，防止在次延伸。右边裂纹长度经过内圈法兰螺栓4个半。左边裂纹长度经过内圈法兰螺栓2个半；两个裂纹间距为内圈法兰螺栓3个半。
图l φ3×11m水泥磨中空轴断裂裂纹示意图
磨机进、出料端的中空轴断裂裂纹两端基本上相似。裂纹发生在中空轴的外侧，基本上是呈周向的不规则走向，一部分裂纹是在轴根圆角的边沿上，由中空轴上外圈的磨机前端盖护板螺栓孔沿径向两侧延伸发展而形成的，穿过几个螺栓孔。一侧止于中空轴上内圈的磨机前端盖护板螺栓孔，一侧止于中空轴法兰与磨机前端盖联接螺栓的螺栓孔，裂纹长度不同，经过探测裂纹己经裂通，(中空轴的厚度为90 mm)，φ3×11m水泥磨中空轴断裂裂纹的示意图如图1所示。
表1φ3×11m水泥磨的规格和性能
（1）、系统类型：圈流。传动方式：中心传动。磨体重量：92t。研磨体装载量100t。转速：17.5r／min。台时产量：47t。有效内径：2926mm。入磨粒度：10-15mm。 细度：5-8%。
（2）、减速器：JS110-A。速比：740/17.5r/min。
（3）、电动机：YR1250-8/1430，功率1430Kw，转速740r／min，电压10000V。
3、磨机进、出料端中空轴断裂原因分析
3.1中空轴是整个磨机的关键部件，其制造质量有很高的要求。由于其结构形状比较特殊，还存在R区，中空轴在精加工后很难保证没有各种铸造缺陷——缩孔、夹渣、偏析和裂痕等。铸造缺陷是磨机中空轴断裂的一个重要原因。
3.2磨机中空轴一般都是比较大的铸钢件，有的中空轴重量达4-11吨，铸件内往往会存在应力集中，加工中空轴的毛胚应该经过时效处理，但是，有些制造厂家为减少流动资金的占用量，受当时经济利益的驱动。不顾中空轴的产品质量，中空轴的毛胚不经过时效处理就进行加工，导致中空轴内部残存有应力集中。中空轴在交变应力作用下的运行中应力集中过大，也是产生裂纹的一个原因。
3.3有些制造厂家受铸造条件和技术的制约，中空轴的毛胚不能整体铸造，而是分段铸造。然后再焊接为整体，中空轴的焊接质量要求非常严格，焊缝内部质量不得低于JBll52—81《锅炉与钢制压力容器对接焊缝超声探伤》标准的II级的规定。同时还要符合Q／JCJ05—82《钢制建材机械焊接技术规程》中对重要零件的要求。焊接4-7吨重的大、厚刚性构件，如若保证不了焊接质量和焊后热处理的质量，很容易产生淬硬组织、应力集中和微裂纹。焊接质量和热处理质量不高也是磨机中空轴产生裂纹的一个原因。
3.4在更换磨机端盖护板时，机修工为了贪图省事和节省时间，经常用气割先割去护板螺栓的头部，继而再用大锤敲掉螺杆，造成中空轴局部受热温度较高，并且中空轴局部表面被砸成凹坑，进而引起中空轴内部的应力集中过大，导致中空轴断裂。
3.5磨机进、出料端中空轴内一般都配置有进、出料螺旋筒，中空轴与进、出料螺旋筒是靠外面端面的联接螺栓联接，该联接螺栓非常容易发生断裂。许多水泥厂解决的方法是：在进、出料螺旋筒内用三个螺拴顶着中空轴，把中空轴与进、出料螺旋筒联接为一体。入磨物料由下料口进入进、出料螺旋筒和被随着磨机一起转动的进料螺旋筒带入磨内的过程中，受入磨物料粒度、物料量和物料被进、出料螺旋筒带起高度的不均匀影响，会产生强烈的震动。这种强烈的震动也将会引起中空轴应力集中过大，导致磨机进料端中空轴断裂。
3.6磨机的研磨体装载量，各车间磨机研磨体最大装载量，必须按使用说明书要求控制在以下范围内：1#生料磨68t。2#生料磨85t。l#水泥磨140t。2#水泥磨lOOt。3#水泥磨174t。3#煤磨22t；各车间磨机研磨体的最大装载量，不能超过以上所限定装载量，以免过载造成设备损坏。各车间设备主管控制好记录，生产办进行验证。
3.7磨机磨机停机8小时以上者，必须顶磨。各车间磨机短、长期停磨，在磨机主体和主轴承尚未降至环境温度之前，不准停止润滑和水冷却系统。停磨后，按下面间隔通过慢速转动磨体，1Omin，lOmin，lOmin，lOmin，10min，15min，15min，15min，15min，20min，20min，20min，30min，30min，30min............每次回转时，磨机回转180℃，直到有关事宜处理完毕。
4、磨机中空轴的焊接
∮3×11m水泥磨中空轴断裂时，正值我公司水泥销售旺季、水泥生产压力较大的时期。更换中空轴的周期太长，又没有备用的更换，中空轴的材质为ZG230--450 (含碳量O．20％)铸钢，具有良好的焊接性，所以，我们决定采取焊接方法进行处理，并且采取不拆除中空轴的固定焊接法焊接。中空轴是特大型厚壁结构件，刚性很大．焊接质量要求又非常严格，为保证焊接质量，最大限度地防止中空轴焊接后出现变形、开裂等焊接缺陷，根据我公司现有的设施条件，采取了如下措施： 4.1确定焊接工艺
对于检修单位来说，焊接方法一般都采用手工电弧焊、由于裂纹较长。在焊接前必须顶磨，完成一段后翻磨一次，并对焊接面用小锤打击消出应力。为了防止中空轴焊接后出现变形，焊接采取分段焊接法，每次焊接长度不超过500mm，先焊中间裂纹，后焊两边裂纹。焊接中空轴如此大、厚(焊接位置的厚度为lOOmm)的钢性较大的结构件，在焊接过程中，焊接热影响区容易产生低性淬硬组织。当焊接材料或焊接工艺选择不当时，容易产生冷裂纹，特别是与母材金属熔合比例较高的第一层焊缝，更容易产生冷裂纹。根据制造规范，焊接ZG230--450 (含碳量0．20％)铸钢中空轴时．宜选用碱性低氢焊接材料。考虑焊缝金属与母材的强度、韧性、抗裂性能等因素以及裂缝的产生机理，为了控制开裂倾向，我们决定采用506-507焊条、(奥302不锈钢焊条)。因为此焊条焊缝强度中等．具有良好的抗裂能力，且熔敷金属的塑性和韧性较好，适合于焊接铸钢件。焊接前．用烘干箱对焊条预先烘干2h，烘干温度150℃。然后，放在保温箱中保温．随用随取，每次取出量最多不能超过10根。正刨逆焊，层与层之间必须搭接压缝，每层焊接方向正反向交替进行，选择直流反极性及小范围参数．焊接电流尽量采取许用电流的下限参数(∮3．2mm焊条的许用电流为90-130A，∮4．0mm焊条的许用电流为100-160A)。由于是多层焊接，第一层焊缝易出现裂纹，选用小电流低焊速焊接。 (1)开坡口
为了减少金属的填充量，选用较小的坡口角度，采用单面“U”型坡口的型式。为了防止中空轴的强度削减严重，开坡口采取分段坡切法，先坡中间，后坡两边。开坡口采用碳弧气刨，使用∮8mm的圆型截面碳棒：因其火花集中，气刨速度快，电焊机采用硅整流直流电焊机(GS一500SS)，接法为反接．焊接电流为240-400A．压缩空气压力为0．6-0．7MPa．沿裂纹进行气刨、成形后的坡口必须消除裂缝及周边的全部裂纹，气刨后用钢丝刷清理焊渣．最后用∮150角磨机对坡口两侧内壁打磨修整．以除去渗碳层和清理坡口．达到施焊条件。 (2)焊接前的准备
焊接准备开始前，拆除护板，里、外全部焊接。并在磨头筒体处用300t千斤顶稍稍顶起，磨机略作支承，以尽量降低中空轴的承载负荷．尽可能减少中空轴的变形量；然后，卸除磨机前端盖护板和螺栓等零件，以利于气刨、焊接；再把中空轴裂纹处转至最上方位置；最后将中空轴轴承上盖拆除．用石棉绳塞实轴瓦间隙．防止进入杂物．并用石棉绳盖严中空轴与轴瓦接触部位，再用输送带盖住中空轴和轴承下座，防止杂物摁伤中空轴或进入轴承室，以便于焊接操作，确保焊接质量。
中空轴转至合适位置后即可进行焊接准备。由于焊接是在现场进行操作，考虑到焊接过程中，磨机系统的其它部位和设备往往也都同时进行检修，中空轴焊接的环境脏、粉尘多，所以要求在焊接时，必须搭设挡风篷，以免灰尘进入焊缝区。
挡风篷搭设完后．清理全部施焊区及周边的油污和灰尘．首先用氧乙炔焰烘烤，去除焊道及周边的油污，再用钢丝刷清理，最后用毛刷清理干净为止。 (3)焊前预热及焊后热处理
由于中空轴材质为ZG230--450H(含碳量0．20％)铸钢，在热影响区易产生低塑性淬硬组织，又是特大型厚壁结构件，刚性很大，焊接过程中易导致冷裂纹的产生。为防止焊接过程中焊缝开裂，在施焊前必须预热，而且严格控制焊接温度。我们采用乙炔加热预热，加热范围距裂纹约150-200mm，控制温度在200℃左右。
中空轴在运转过程中承受动载荷作用，为调整中空轴的硬度，细化晶粒，消除焊接残余应力，改善性能，特别是改善焊缝及热影响区的各种机械性能，焊后还必须进行热处理。由于工件大，现场无条件进行整体回火消除应力，只能采用局部低温退火消除应力，我们仍采用乙炔加热，外面覆盖两层岩棉被保温，打开保温材料对焊接区修磨。 4.2焊接的实施
焊接的实施是提高焊接质量的关键，在焊接过程必须严格按照制定的焊接工艺执行。焊接跟随坡口走，采取分段焊接法，先焊中间，后焊两边。焊接过程中，要用钢丝刷和角向磨光机清理飞溅物和药皮等杂物，除最后一层外，其余每层均采用锤击焊缝金属的方法消除焊件的残余应力，并用角向砂轮机和扩大镜，由专职人员反复检查焊缝是否有裂纹。如有裂纹必须重新焊接，直到没有裂纹为止，以保证焊接质量。前段裂纹焊接完毕后，再进行另一段裂纹的开坡口、施焊等处理，直至把全部裂纹处理完毕。从处理第二段裂纹起，在开坡口时．要将与该裂纹段连接的前期处理过的焊缝端部重新刨开长度约5mm左右的坡口、以利于焊缝段连接焊肉熔合好，避免有气孔、夹渣和断续焊等各种焊接缺陷，待裂纹全部焊接完毕后。 (1)打底焊
每一个裂纹段的第一层焊缝焊接，选用∮3.2mm的焊条，电流调整为100-120A．尽量采用小电流、慢速度、短电弧且电弧不间断焊接，以窄焊道，多道焊方法连续完成焊接。焊条不能摆动，减少熔合比，减少裂纹倾向，收弧时要注意填满弧坑。打底焊是整个焊接的基础，一定要保证焊接质量，打底焊要求焊两遍。 (2)填平焊
打底焊后，应该进行填平焊接，填平焊，选用∮4.Omm的焊条，电流调整为120-140A，采取短电弧在坡口横截面上横焊：在焊接过程中，焊条摆动到两端，并稍作停留，以保证焊肉与母材熔合好。当坡口焊平后，必须确定质量。在保证没有焊接缺陷的情况下，再焊一层盖面焊层。 (3)盖面焊
盖面焊，采取高电压、小电流的慢速度施焊。严格保证焊趾外平缓圆滑过渡，焊缝饱满、均匀、整齐，焊缝表面光滑平整，不能有“咬肉”现象。
5、处理后的试运行方案
中空轴焊接后能否保证长期正常运转，是检验焊接工作成功与否的关键。为使中空轴因焊接而产生的残余应力能缓慢均匀消除，以确保水泥磨安全正常运行，我们研究制定了试运行方案。
空负荷运行24h。先用辅助传动运行2h，停机检查无问题后，再用主传动运转22h。然后，停机进行全面检查，采用着色方法检查中空轴是否有裂纹。 空负荷运行无问题后．装球71t半负荷运行48h。
2／3负荷运72h。半负荷运行无问题后，装球96t运行72h。停机后，对 磨机的前、后中空轴进行一次全面检查，同时还要检查各瓦口的间隙、磨机轴向窜动等情况，然后，综合以上试试运行的电流、跳动、窜动、温度等情况，确定连续运行方案。
连续运行。在完成上述试运行，并确定无问题后，进入连续运行阶段，在连续运行期间，要对中空轴每半小时检查一次并做好纪录，主要包括中空轴的油温、油压、瓦温、油膜、震动和声音等，发现异常必须及时采取果断措施进行处理。 6结束语
磨机中空轴处理后，运行状况一直很好，表明我们对中空轴断裂的处理方法是可行的。
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