吕世明
（山西省水工机械厂，山西太原 030002）
摘 要：通过对钻机主轴断裂失效的综合分析研究，结合实际进行相应的科学合理的技术改进，从而有效提高了钻机工作的可靠性。
关键词：钻机主轴；断裂失效；失效分析；改进措施
引言
CZ-22钢绳冲击式钻机适用于水利、道桥、建筑等工程施工。施工环境差，载荷交变复杂，特别在卡钻、打捞钻头等处理孔内事故时，瞬间载荷成倍增加。主轴作为钻机的核心零件，带动冲击机构和捲筒等工作机构，应力复杂。在工作中有时出现主轴断裂失效的状况，不仅给生产带来损失，还容易发生人身事故。通过对主轴工作状态、材料性能和加工安装等环节的分析研究，制定了改进错施，经运转考查，未出现断裂情况，我们认为是一个比较经济有效的方法。
1 失效分析
1.1断口分析
主轴断裂位出现在冲击齿轮和中间轴承支座间，断面与轴线成90度，无塑性变形特征，轴表面有一个呈椭圆形疲劳源。
经断口特征分析：主轴主要由弯曲、扭转复合应力，而以弯曲应力为主，Z后以扭转断裂。应力集中来自主轴的表面。由于钻机的结构，决定了主轴必须处于弯、扭冲击交变载荷下工作，必须从制造安装及热处理等方面进一步研究，确定Z主要因素及诸多复合因素。
1.2材料组织分析
主轴材料40Cr，调质后硬度26-32HRC。原热处理工艺如下：淬火温度850℃正负10C，保温85分钟，设备：台车式电炉，油淬（20-60℃）回火温度580℃正负10℃，保温160分钟，水冷。设备：电炉。由于油淬冷速低，淬火后组织中有游离铁素体存在，因其强度较低若沿晶界分布时，极易造成主轴断裂。
1.3机械性能分析
按照上述热出理工艺处理的轴，其机械性能（如表1）。这样的性能，强度较高，韧性偏低，特别是冲击韧性较低，主轴在服役中，除受弯曲载荷外，还受忽大忽小的交变冲击力，特别在处理孔内事故时更是如此。这就要求机械性能除高的强度外，还要有良好的冲击韧性的配合，方能有效的避免断裂失效。
1.4断裂主轴的表面质量分析
主轴疲劳断裂与应力集中有直接的关系。通过对断裂主轴表面质量检验，发现存在台阶圆角半径小、机加工划痕等容易形成疲劳源，引起局部应力集中的缺陷，也是造成断裂的主要原因。
1.5结构受力及使用维护分析
皮带轮带动主轴及其主轴上的链轮、捲筒和冲击机构工作，主轴分别由三个轴承支座固定在机架上，轴在支座上受弯、扭合力，特别是中间支座，若调整不当，轴在此处将会受到较大弯矩。皮带轮受皮带拉力的作用，给予轴的扭矩和其它机构产生的扭矩想反，冲击机构因为反复交变载荷，与链轮一样经常会受突然增大的负荷给轴很大的冲击力，由此可以看出轴上受到的应力是很复杂的，Z大复合应力出现在冲击机构与中间轴承支座间。加之工作环境恶劣，维护保养更差，轴的外表暴露在空气中，接触泥水和各种空气介质多。因此引起应力集中的外力也较复杂。
1.6小结
通过上面分析，造成主轴断裂的主要原因：
1）断裂为脆性疲劳断裂。在反复交变载荷下，由表面应力集中的地方出现微裂纹，逐渐扩展至零件有效截面强度不足以承受工作载荷或突然增大的载荷，发生突然断裂。
2）造成应力集中的起因：主轴机械加工中不符合要求，安装工艺不当。
3）热处理工艺不合理，显微组织中存有游离铁素体，综合机械性能偏低。
4）钻机使用维护不当。
2 改进措施
2.1轴的结构与机加工
轴的台阶过渡园角按图纸加工，轴表面在轴承装配处一律磨削，严格控制在Ra<1.6um。键连接处Ra<0.8um，不允许有尖棱角及刀纹划痕，轴的直线度及对各外园地同心度严格按图纸技术要求制造。
2.2控制安装精度
保证离合器齿轮的啮合精度，调整三个轴承座的安装顺序，Z后调垫、紧固中间中间轴座，减消轴内应力。
2.3设备使用方面
1）加强人员培训，按操作规程施工。
2）根据地质条件制定施工方案。施工中及时观察地层变化，调整工艺，尽量避免卡钻及断钻等现象发生。
3）制定设备保养制度，确保主轴清洁和避免外力损伤。
2.4热处理工艺改进
针对主轴（毛坯直径85mm）工作时的受力情况和应力不均匀且集中间轴承座中在轴外缘的特点，热处理后淬硬层不低于轴二分之一，同时尽量避免游离的铁素体的产生。借鉴合金钢齿轮高频淬火介质，经试验，将聚乙烯醇和水玻璃按比例配成复合介质，用于主轴调质淬火，热处理工艺（如图1）。
调制后的主轴从不同位置取样进行显微组织观察，表层为回火马氏体，距外缘20mm处为回火索氏体，心部为回火索氏体和铁素体的混合组织。这种组织有利于提高主轴的疲劳强度，有利于阻碍疲劳源的形成和扩散。经“复合介质”淬火并高温回火后，硬度（如图2）。
由下面表数据看，机械性能优于油淬，能够满足主轴使用要求。与水淬、油淬性能对比（如表2）。
3 结论
主轴经过以上措施改进后，在以后多年的实际运转考察使用中，未出现断裂情况，已被广泛使用在生产实践中。
参考文献
[1]戈康达.金属的疲劳与断裂[M].上海科学技术出版社，1986.
来源：《机械管理开发》2015年第5期
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