1、問題的提出
三峽下岸溪砂石項目部從瑞典斯維達拉公司購進50- 65 MK - II型旋回
破碎機2臺，并于1999年8月投入運行。該機種破碎比大、產量高，并且故障率低、易于維護，是人工砂石加工的主力設備。但運行至2001年11月14日時，其中的1臺在破碎過程中發(fā)生主軸斷裂，理論運行時間只有兩年零三個月。該機種的實際生產狀況是2臺設備一用一備，從來就沒有2臺一起運行過，所以該臺破碎機主軸斷裂前的理論運行時間應該只有一年多一點。
雖然，根據(jù)合同，廠方的主軸承諾質量保證期是18個月，項目部也以合同為依據(jù)同廠方代表糾纏了2個多月，但終因證據(jù)不能讓廠家信服沒能得到廠方的賠償。而此時又正值i峽大壩混凝土澆筑的高峰時期，人工骨料加工系統(tǒng)生產一刻也不能停。該臺破碎機主軸斷裂后，另1臺也保不準何時會出現(xiàn)問題，萬一另1臺也在短時間內出現(xiàn)同樣的情況，那后果簡直就不敢設想，所以必須盡快組織該破碎機主軸的訂貨事宜。通過詢問得知，該主軸進口價格竟然高達230萬元，并且交貨期也很長（最快要6個月），加上擔心再進口主軸還可能出現(xiàn)同樣的主軸斷裂問題，項目部否定了該主軸的進口計劃，決定馬上自己組織技術力量對斷裂主軸進行研究，充分分析主軸斷裂發(fā)生的原因，找出主軸斷裂發(fā)生的病癥，探索其國產化的可能性。
2、主軸斷裂原因分析
這樣I根重達30來t的進口主軸竟然會發(fā)生斷裂，有點不可思議。而現(xiàn)在否定進口計劃，決定國產，對筆者來說更是一個極大的挑戰(zhàn)。但現(xiàn)實已經沒有退路，只有迎難而上。首先必須對主軸斷裂的原因進行分析，才能對后面的國產化探索和使用提供幫助。
在隨后的拆檢中我們發(fā)現(xiàn)，該主軸斷裂部位是發(fā)生在軸上部軸徑∮489至軸徑∮630的圓弧過渡區(qū)，正是主軸在破碎過程中受彎曲力矩最大的區(qū)域。通過對斷裂口取樣并進行掃描電鏡觀察分析，確定斷裂面是因主軸達到其疲勞極限而產生的疲勞斷裂，而非因外力作用過力而產生的脆性斷裂。
經充分論證后，得出：該機型因是由42 -50型旋回破碎機改型而成，除主軸加長、進料口徑增大外，其余部位并未作相應的改動。故由于進料口徑的增大，該機的破碎比也較42 -50型的大，主軸所承受的破碎力矩也比42 -50型的大，按理主軸上部軸徑的直徑也應相應加大，而事實上改型后的主軸直徑卻沒有加大。同時，由于主軸的長度相比42 -50型的也加長了1.2m，也使得主軸圓弧過渡區(qū)所承受的彎曲力矩相應增大。這樣．與42 -50型旋同破碎機相比，50 - 65型破碎機主軸圓弧過渡區(qū)在破碎過程中所承受的彎曲力矩要大得多，這便加速了軸徑的疲勞損壞，增加了主軸斷裂發(fā)生的可能性。而主軸圓弧過渡區(qū)本來就是主軸應力最為集中的區(qū)域，如若主軸因達到其彎曲疲勞極限而產生斷裂，斷裂部位就應該發(fā)生在該區(qū)域，事實上主軸斷裂部位正是發(fā)生在此區(qū)域。因此，達到彎曲疲勞極限就是主軸發(fā)生斷裂的主要原因。
主軸上部軸徑結構見圖1：
3、國產化探索
3.1結構改進分析
確定主軸發(fā)生斷裂的主要原因之后，接下來要做的就是尋找防止主軸斷裂的方法：要防止主軸斷裂，就是要延長主軸疲勞極限到來的時間，也即增大主軸的抗彎強度、降低主軸過渡圓弧區(qū)的應力集中系數(shù)。
要增大主軸抗彎強度，在主軸長度無法改變的情況下，就必須加大主軸上部軸徑尺寸和過渡圓弧圓角尺寸。但加大主軸上部軸徑尺寸會帶來一連串其他相關零件的尺寸改動問題，實際上行不通，所以只能是加大過渡圓弧圓角尺寸。而降低主軸應力集中系數(shù)也是在應力最為集中的過渡圓弧區(qū)，所以對該軸的結構改動就全部集中在此過渡圓弧區(qū)。
通過我們的精確計算，確定可以將主軸過渡圓弧圓角尺寸由原來的R160mm加大到R285rnm，而不影響其它零件的裝配。因此，主軸過渡圓弧圓角尺寸可確定為R285mm。
另外，加大過渡圓弧圓角尺寸理論上是可以改善主軸過渡圓弧區(qū)的應力集中系數(shù)，但經過我們的詳細計算發(fā)現(xiàn)：由于原過渡圓弧圓角尺寸r與主軸小端軸徑d的比值r/d= 160/489=0.32>0.25，通過查閱《機械設計手冊》得知，當r/d的值大干0.25以后，單純的加大過渡圓弧圓角尺寸已不能降低該區(qū)的疲勞缺口應力系數(shù)，也即加大過渡圓弧圓角尺寸對降低該區(qū)的應力集中狀況已經沒有作用。那么只能通過提高主軸過渡圓�、膹姸群捅砻婢葋斫档驮搮^(qū)的應力集中系數(shù)。
提高過渡圓弧區(qū)的強度也即提高整軸的強度，提高主軸的整體機械性能，這可以通過選擇合適的材質和合適的熱處理工藝來實現(xiàn)，所以要對現(xiàn)軸的材質和強度做一個檢測分析。同時，提高過渡圓弧區(qū)的表面精度也需對現(xiàn)軸的表面粗糙度作出實際檢測。
3.2主軸材質分析
1)通過取樣并化學分析，該主軸化學成分如表1所示：
通過查閱《機械設計手冊》，并與我國國內合金結構鋼牌號相對照，其化學成分近似于合金結構鋼40CrMnMo。
2)通過取樣并進行機械性能試驗，該主軸的實際機械性能如表2所示：
3)通過查閱《機械設計手冊》，并咨詢國內有關廠家，我國現(xiàn)用于破碎機及提升機主軸的材料主要有4種，它們是：20CrNiMo、40CrNiMoA、40CrMnMo、42CrMo。它們的機械性能參數(shù)對照如表3所示：
20CrNiMo鍛造、熱處理性能較好，在采用滲碳、淬火工藝時，可具有韌性好、強度高、與軸承的結合部耐磨損的特點。小型旋回破碎機使用較好，在大型旋同破碎機上應用非常少，特別是這種主軸上端帶襯套的結構形式完全沒必要采用滲碳、淬火工藝制造；第一手資料至關重要。此次主軸發(fā)生斷裂后，及時地采取了保護措施，特別是對斷口實施了保護，這為后面對斷面進行金相分析保存了最真實的狀況，保證了金相分析的準確。
其次，要盡量多的獲取原始資料，以利作出正確的分析判斷和正確的設計思路。對于該軸，做了大量可以做的試驗，以期獲取較多的原始資料。包括化學成分、機械性能、金相組織、表面粗糙度、硬度檢測等等。甚至連設備出廠情況都做了了解和分析。
第三，要膽大心細，沖破束縛，敢于挑戰(zhàn)。該軸斷裂以前，一直認為我國在原材料和熱處理工藝上與國外相比存在較大差距的，許多零件是不可能由國內生產的，此次主軸斷裂后，也是無奈之下選擇了國產化探索。正是這次無奈，使得我們打破了原來的認識，敢于分析國外的工件，敢于相信國內的材料及加工手段。通過努力，該軸的國產化實踐是成功的。
在這次50 - 65M - II旋同破碎機主軸的國產化實踐的探索中，得到了中信集團洛陽礦山機械研究院和中信集團洛陽礦山機械廠的大力支持，這里一并致謝。
