左池舟

(銅陵有色稀貴金屬分公司， 安徽 銅陵 5867064)

MYQ5585球磨機齒輪軸崩齒分析及現(xiàn)場修復(fù)

左池舟

(銅陵有色稀貴金屬分公司， 安徽 銅陵 5867064)

介紹了球磨機齒輪軸斷裂崩齒的原因，采用電脈沖冷補焊工藝進行技術(shù)修補，實現(xiàn)了崩齒部位的精確再制造。

球磨機； 齒輪； 斷裂崩齒； 電脈沖冷補焊工藝

0 前言

銅陵有色集團下屬某銅爐渣選礦廠φ5.5×8.5 m溢流型球磨機運行期間小齒輪突然發(fā)生崩齒現(xiàn)象，停機檢修時發(fā)現(xiàn)與大齒輪嚙合的小齒輪有兩處齒已斷裂崩齒。檢查分析表明小齒輪運行時，軸承端面固定擋塊脫落進入軸承內(nèi)部，造成重載齒輪軸偏載導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，形成裂紋源，裂紋源在交變應(yīng)力作用下疲勞擴展形成裂紋最終導(dǎo)致輪齒斷裂崩齒。由于現(xiàn)場沒有齒輪軸備件，如重新加工制作，則至少需3個月，無法滿足企業(yè)正常生產(chǎn)的要求。經(jīng)分析論證，決定采用齒面補焊的工藝對輪齒進行現(xiàn)場焊接修復(fù)。

1 斷齒情況

φ5.5×8.5 m溢流型球磨機齒輪軸為S17Cr2Ni2Mo優(yōu)質(zhì)滲碳鋼(對應(yīng)德國標(biāo)準(zhǔn)：17CrNiMo4)，其經(jīng)過滲碳—淬火—磨齒處理，表面硬度為57～62 HRC，滲碳層深度為3～5 mm；加工精度為6級；齒輪模數(shù)為28，齒數(shù)為21，齒寬910 mm漸開線斜齒，軸承為SKF。該齒輪在發(fā)生瞬時沖擊后，振動瞬時超標(biāo)報警，并立即停車。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)該齒輪兩處輪齒崩裂。

1.1 原因分析

現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)齒面左端面?zhèn)认侗扔叶诵?～3 mm，齒輪軸存在嚴(yán)重左側(cè)單向偏載情況，外力對齒面產(chǎn)生很大的負(fù)荷。A、B齒斷裂面均在左端，崩落體長150 mm，寬80 mm，深5～35 mm，反應(yīng)了齒疲勞源位置可能是左端面，受到偏載的影響而引發(fā)斷裂。

通過宏觀端口分析初始的疲勞源、交變載荷作用下裂紋穩(wěn)定發(fā)展的疲勞擴展區(qū)以及最后的失穩(wěn)斷裂階段的瞬斷區(qū)，確認(rèn)崩齒屬于疲勞斷裂。A齒面與B齒裂紋的裂紋源區(qū)域無明顯的崩裂口和擠壓痕跡(見圖1)，即不存在硬質(zhì)異物進入齒輪嚙合面的情況。

為了制定正確的焊接工藝，須先對齒輪軸的成份進行物理分析化驗，對熱處理后齒輪表面硬度進行檢測，為焊材選擇、焊接工藝評定提供依據(jù)。

1.2 理化檢驗分析

在斷齒上面鉆取鐵屑做化學(xué)分析，結(jié)果如表1。并對齒表面進行布氏和洛氏硬度檢測結(jié)果顯示：檢測表面硬度60 HRC；表面滲碳層厚度3.5 mm；芯部硬度檢測36.5 HRC。

表1 S17Cr2Ni2Mo化學(xué)組成 單位：%

從表1數(shù)據(jù)及物理檢測數(shù)據(jù)可知,齒輪軸斷齒化學(xué)成分基本符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,硬度滿足設(shè)計要求[1]。

2 現(xiàn)場焊接修復(fù)

目前斷齒焊接修復(fù)技術(shù)存在易產(chǎn)生熱裂紋、冷裂紋、過熱區(qū)脆化、熱影響區(qū)軟化等問題[2]，只有極少數(shù)企業(yè)在實踐中對大型齒輪(軸)成功進行了局部修復(fù)。除再造齒輪部位需達到或接近小齒輪本身的硬度之外，齒形形狀及尺寸和位置公差要符合圖紙要求。針對該齒輪軸崩齒情況，提出了采用“電脈沖冷補焊工藝”進行修補[3]，實現(xiàn)了崩齒部位精確再造。該技術(shù)的優(yōu)點是焊接輸入熱量小、熱影響范圍很小、對齒輪崩齒面進行打磨處理后就可以直接堆焊，不受斷齒面形狀限制。堆焊后齒形接近原齒形尺寸，修磨工作量小，適用于重載齒輪大面積斷齒的修復(fù)。

2.1 修復(fù)工藝

2.1.1 齒面修復(fù)施工器具及修補材料

(1)齒表面修復(fù)檢測量具：刀口尺、外徑千分尺、標(biāo)準(zhǔn)齒面樣板。

(2)修復(fù)設(shè)備：電脈沖冷補焊機2臺。

(3)修補材料：鎳鉻合金焊絲、304不銹鋼焊絲、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼焊絲。

(4)加工工具：采用角向磨光機、拋光機、研磨油石、刮刀。

2.1.2 焊前準(zhǔn)備

(1)焊接前，應(yīng)將補焊區(qū)域周圍20 mm范圍內(nèi)的油漆、鐵銹等污物清理干凈。

(2)崩齒部位切削、打磨和著色探傷，探傷的基本原理是利用毛細(xì)現(xiàn)象使?jié)B透液滲入缺陷，經(jīng)清洗去除表面滲透液，再利用顯像劑的毛細(xì)管作用吸附出缺陷中殘瘤滲透液而達到檢驗缺陷的目的。如圖所示縫隙殘瘤滲透液顯示為有裂紋源(見圖2)，繼續(xù)打磨探傷直至無滲透液顯現(xiàn)。

圖2 滲透法裂紋檢測

2.2 焊接工藝

2.2.1 工藝

(1)用丙酮和鋼絲刷清洗缺陷部位及周圍殘留的探傷著色劑、油污、水等雜物。

(2)將斷齒部位轉(zhuǎn)至水平位置，用砂輪打磨平滑直至沒有尖角，對斷齒進行磁性材料或著色探傷確定斷齒沒有裂紋。

(3)利用電脈沖冷補焊技術(shù)進行齒面修復(fù)。整個施工過程對齒輪體輸入熱量非常小，使齒面基體組織和性能發(fā)生變化的熱影響區(qū)很小，幾乎不產(chǎn)生熱應(yīng)力和變形。

(4)選用能與齒輪基體材料冶金特性相結(jié)合的材料[3]，保證結(jié)合強度高，硬度與齒面硬度相符，修復(fù)后的齒輪精度完全滿足運行工況要求。

(5)鎳鉻合金焊絲、304不銹鋼焊絲、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼焊絲逐層交替焊接(如圖3)。焊接電流90～120 A，快速施焊，焊條不做橫向擺動。除第一層和最后一層外，其余焊縫焊完后用錘擊焊道，確保焊接后齒面綜合力學(xué)性能較好。

(6)齒面修復(fù)后打磨并著色檢測裂紋。

圖3 逐層堆焊接成型

2.2.2 小齒輪表面焊補層質(zhì)量檢驗

(1)外觀檢驗：電脈沖焊補層，應(yīng)均勻致密，無起泡、脫落，色澤均勻一致。

(2)結(jié)合強度檢驗：

①試棒切削法：偏車試驗φ30～40 mm鋼鐵試棒，經(jīng)脈沖或脈沖氬弧焊，厚0.5 mm，不起皮，不崩離為合格。

②試棒彎曲法：取試板25×75×1.5 mm，將其25×50 mm的面積焊0.20 mm厚層,將試板上焊接位對折180°,焊補層不起皮,不剝離為合格。

③試棒偏磨試法：圓周方向上將一部分脈沖焊層全部磨削使其暴露出基體金屬，其余部分仍保留的脈沖焊補層不起皮，不崩離為合格。

④銼削法：用偏銼銼脈沖焊補層，銼與平面保持約45°夾角，從基體銼向脈沖焊補層，脈沖焊補層與基體不發(fā)生剝離為合格。

⑤劃痕法：用鋒利的鋼鑿或其它工具在脈沖焊補層上平行劃5～6道，間距2～3 mm，將其劃破然后在垂直方向，再劃5～6道平行劃痕，間距2～3 mm，并與前次所劃的劃痕相交，脈沖焊補層無起皮、無剝離為合格。

⑥錘擊法：錘擊的印痕四周的脈沖焊補層應(yīng)無隆起、起皮、剝離現(xiàn)象為合格。

2.3 齒面修復(fù)位尺寸精度及齒面檢查

對未缺損齒輪面的寬度、高度、嚙合形位進行檢查，允許低于原平面0.01～0.03 mm。

在現(xiàn)場進行為期3天的修補焊接作業(yè)，將齒輪重新安裝就位，調(diào)試后投入運行對該齒輪的檢測如圖4。

圖4 修復(fù)后齒面檢測

3 結(jié)束語

偏載、硬質(zhì)異物進入造成齒輪局部應(yīng)力集中會造成剝齒、輪齒斷裂的情況。選擇合理焊接材料，采用“電脈沖冷補焊和電脈沖”技術(shù)成功快速實現(xiàn)了重載齒輪的齒面崩裂、斷齒再造。此方法修復(fù)周期性短，齒面焊接能量小、變形少、無應(yīng)力且齒部成型良好。該齒輪修復(fù)后，已正常運行超過半年。

實踐證明該焊補工藝是可行的,也為國內(nèi)其它齒輪斷裂及崩裂等類似問題提供了寶貴的經(jīng)驗,具有一定的參考應(yīng)用價值。

[1] 張健鋼.熱處理工藝對17Cr2Ni2MoA滲碳層性能影響[J]. 江蘇冶金,35(5).

[2] 王永宏.重載齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱處理工藝分析[J]. 科技與企業(yè)，2012(3).

[3] 中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊，第2卷[M]. 北京：北京機械工業(yè)出版社,2004.

Analysis and On-site Repairing of Teeth Damaged of Gear
Shaft of MYQ5585 Ball Mill

ZUO Chi-zhou

The causes for the teeth broken of gear shaft fracture of ball mill were introduced. The electropulsing cold repair welding technology was used to repaired, realizing the accurate remanufacture of teeth damaged parts.

ball mill; gear; fractured teeth damaged; electropulsing cold repair welding technology

2013-10-14

左池舟(1973—)，男，安徽樅陽人，大學(xué)本科，工程師，主要從事設(shè)備及節(jié)能改造項目管理工作。

TD453

B

1008-5122(2014)02-0027-03