稳定土厂拌设备搅拌轴断裂及改进方案评析

慧聪工程机械网 2005-09-15 08:48 来源：徐工研究院作者：陈言国李梅英刘占胜谢全权

一、概述稳定土厂拌设备搅拌机是厂拌设备的关键部件，其有多种结构形式。WQ/WD系列搅拌机是一种大容量、双卧轴、强制式、无衬板搅拌机，它是以搅拌叶片与搅拌缸之间的物料静止层为柔性耐磨层，取替了刚性的合金耐磨

一、概述 稳定土厂拌设备搅拌机是厂拌设备的关键部件，其有多种结构形式。WQ/WD系列搅拌机是一种大容量、双卧轴、强制式、无衬板搅拌机，它是以搅拌叶片与搅拌缸之间的物料静止层为柔性耐磨层，取替了刚性的合金耐磨层，从而提高了搅拌机的可靠性和使用经济性。强制式无衬板搅拌机，可实现高速搅拌，使物料（石子、砾石、石灰、粉煤灰、水泥和水等中间几种物料的混合料。）在拌和过程中呈沸腾状相互渗透，均匀拌和。这种新一代搅拌机在去年和今年的销售及验证下，得到了用户的一致认可，但是用户在使用中也出现了一些问题，其中搅拌轴断裂给工厂造成了很大损失，造成用户停工、工期延长，给当地造成了一定的影响。所以我们迫切需要解决搅拌轴断裂这一严重问题。二、技术参数（以WQ/WD500为例） ＷＱ／ＷＤ５００搅拌机是采用电机、减速机直接驱动，两根平行的搅拌轴轴身是采用Φ１８０的管材，材质为４５号钢，在长度方向且两个相互垂直的平面上分别钻有数量不等的通孔。搅拌臂是采用４５号钢，热处理采用调质处理，搅拌臂穿过搅拌轴的通孔焊接在搅拌轴上，焊接方法是采用常用工艺焊接方法。三、断裂原因及技术分析１、断裂原因（１）不合格的大石块进入搅拌锅中，由于大石块突然卡住搅拌臂，产生很大的破坏冲击力而使搅拌轴断裂；（２）由于４５号钢含碳量在０．４２～０．５０％之间，当含碳量在０．５％时采用常用工艺焊接时，产生马氏体组织，容易出现裂纹。另外，用普通方法焊接时，易产生气孔，搅拌轴又是在高湿度的腐蚀介质中长时间的工作，而高湿度的腐蚀介质对气孔、裂缝长期的腐蚀作用，最终导致搅拌轴达到疲劳极限而断裂。２、技术分析 由于骨料是经过配料机的隔栅把不合格的大石块过滤掉，只有粒径不大于６０ｍｍ的骨料经集料皮带机送入搅拌锅中，在正常状况下是不会因骨料过大卡住搅拌臂而损坏搅拌轴的，这种使搅拌轴断裂的情况并不是很大。所以这种情况的断裂并不是造成搅拌轴损坏的主要原因。对于第二种情况，搅拌轴在出厂前就已经存在微观焊接裂纹，且是在恶劣的环境下（例如石子或砾石过多）长时间工作达到疲劳极限后才出现宏观断裂的。这种情况的断裂则是导致搅拌轴损坏的主要原因。ＷＱ／ＷＤ系列稳定土厂拌设备自销售以来，已出现４到５根搅拌轴断裂，断裂位置多数是在搅拌轴的中间部位。断口出现不规则的形状，多见断口一侧参差不齐、锈蚀严重，另一侧断口则比较平齐。这种断口进一步验证了第二种断裂的可能性。当４５号钢在含碳量为０．５０％时焊接容易出现焊接裂纹，焊接裂纹在外载荷和高湿度的腐蚀介质环境的共同作用下，裂纹逐渐出现扩大、锈蚀、再扩大、再锈蚀的恶性循环。在这种情况下若遇到大石块突然卡住搅拌臂则会出现第一种断裂的情况，或者在达到疲劳极限时则会出现第二种断裂的情况。另外由于搅拌轴中间部位挠度最大，弯曲应力最大，所以中间部位出现最先断裂的状况。四、技术改进 ４５号钢属于高强度中碳钢，具有一定的塑性和韧性，较高的强度，切削性能良好，采用调质处理可获得很好的综合力学性能，淬透性较差，水淬易产生裂纹；中、高碳钢焊接时，在奥氏体开始转变为马氏体的温度Ｍｓ点以下容易出现冷裂纹（延迟裂纹），即在淬硬组织、氢和约束应力的共同作用下而产生的具有延迟特征的裂纹。中、高碳钢焊接时，在工艺焊接性方面容易出现ａ．焊道下裂纹ｂ．热影响区硬化；在使用焊接性方面容易出现疲劳极限降低的状况。所以搅拌轴在疲劳极限降低的状况下，焊接裂纹在扩大、锈蚀、再扩大、再锈蚀的恶性循环下逐渐失效直至断裂。在焊接方面尽量选用低氢型焊接材料，低氢焊条具有一定的脱硫能力，焊接塑性和韧性良好，选用低氢型焊接材料可以降低焊缝金属中的扩散氢含量，从而可以减少氢脆的发生。从焊接性能上考虑建议搅拌轴用２０号钢，２０号钢焊接性能较好，并且一般情况Ｆ不需要预热。而低碳钢２５、３０需预热１５０℃以上，中碳钢３５、４５需预热１５０℃～２５０℃之间，焊后一般要进行６００℃～６５０℃回火热处理。从力学性能上考虑２０号钢（σ≥４１０ＭＰａ、σ＝２９５ＭＰａ、ＨＢ≤１５６）远不如４５号钢（σ≥６００ＭＰａ、σ≥３５５ＭＰａ、ＨＢ≤２４１）。但碳钢中加入合金元素，会提高钢的强韧性和焊接件，即其综合力学性能会大大提高。普通低合金钢是含少量合金元素的普通合金钢，它强度高，加工和焊接工艺性较好，并具有较好的耐磨、耐蚀、耐低温性能，生产成本和碳素钢相近，低合金高强度结构钢一般在热扎退火或正火状态下使用，且不需热处理。由于搅拌轴是不经过预热在常温下焊接，所以建议在保证安全系数的前提下，搅拌轴用２０Ｃｒ。由于３０号钢具有一定的强度和硬度，塑性和焊接性较好，通常在正火状态下使用，也可调质，截面尺寸不大的钢材调质处理后，能得到较好的机械综合性能，并且具有良妤的切削性能，常用于制造受载不大、工作温度低于１５０℃的截面尺寸小的零件，亦可制作心部强度较高、表面耐磨的渗碳及氰化零件、焊接构件（《机械设计手册》机械工业出版社出版第２版第１卷主编：徐灏）。由于每根搅拌臂受载不大、表面耐磨且要求搅拌臂焊接性能良好，所以搅拌臂采用３０号钢为宜，并且表面进行渗碳处理，焊接方法采用ＣＯＡｒ气体（采用无脉冲电源、实心焊丝）保护焊（焊接时焊缝金属中的扩散氢含量较低、抗气孔性能良好、抗裂性能良好、熔深较深等优点。）另外，在设计结构上也可以加以改进，例如搅拌臂直径缩小，在不影响拌和均匀性和生产率的情况下，每根搅拌轴可去掉一根搅拌臂，搅拌臂间距扩大、搅拌刀尺寸缩小、搅拌刀与搅拌轴的角度增大且采用耐磨钢板。这些结构上的改进都可以改变搅拌轴的性能，降低搅拌轴断裂的可能性。

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