圖 1采煤機花鍵軸脆性扭轉過載斷裂宏觀形貌
采煤機是煤礦機械綜采設備成套系統(tǒng)中的核心設備之一，隨著無人化、少人化、高產(chǎn)高效綜采工作的發(fā)展，對采煤機綜合性能的要求越來越高，需要采煤機具有跑得快、割得動、可靠性高等特點，而花鍵軸是采煤機行走系統(tǒng)的關鍵零部件之一，起到傳遞扭矩、彈性緩沖、過載保護等作用[1]，可直接將扭矩傳遞到行走輪上，使采煤機行走割煤。另外，采煤機還可使牽引部太陽輪、行星輪等其他零件免受過載沖擊，提供過載保護；但花鍵軸頻繁斷裂或異常斷裂會使采煤機無法行走采煤，不良的斷裂形式不僅起不到保護作用，還會損壞其他零部件。為了提高采煤機花鍵軸的設計、選材和制造質(zhì)量，筆者針對花鍵軸的斷裂原因及斷裂機制進行分析，并提出了預防花鍵軸斷裂的有效預防及改進措施。
1. 采煤機花鍵軸的結構形式
花鍵聯(lián)接靠的是軸和轂上縱向齒的互壓傳遞扭矩，可用于靜聯(lián)接或動聯(lián)接。按照齒形的不同，花鍵聯(lián)接分為矩形花鍵連接和漸開線花鍵聯(lián)接兩種。采煤機花鍵軸的花鍵是漸開線式的，漸開線聯(lián)接指的是靠作用于齒面上壓力的自動平衡來定心，漸開線和齒輪的制造工藝完全相同，壓力角有30°和45°兩種。采煤機花鍵軸的壓力角均為30°，齒根有平齒根和圓齒根兩種。為便于加工，一般選用平齒根，但圓齒根有利于降低產(chǎn)生應力集中和淬火裂紋的可能性。
2. 采煤機花鍵軸的功能特點
采煤機漸開線花鍵聯(lián)接具有承載力大、使用壽命長、定心精度高等特點，宜用于載荷較大、尺寸也較大的聯(lián)接。在目前生產(chǎn)過程中，采煤機花鍵軸是外徑定心的，這時需要用專用的滾刀和插齒切齒，常用于徑向載荷較大的動聯(lián)接。與平鍵聯(lián)接相比，花鍵聯(lián)接有以下優(yōu)點：① 齒對稱布置，使軸轂受力均勻；② 齒軸一體而且齒槽較淺，齒根的應力較小，被聯(lián)接件的強度削弱較少；③ 齒數(shù)多，總接觸面積大，壓力分布較均勻。這些都使聯(lián)接具有較高的承載能力。此外，可利用較完善的工藝制造齒，被聯(lián)接件才能得到較好的定心，軸上零件沿軸向移動時才能得到較好的引導，而且也容易保證零件的互換性。
采煤機花鍵軸共計約160種，可分為有剪切槽與無剪切槽兩類。花鍵軸一端與牽引行星減速器行星架內(nèi)花鍵相聯(lián)，另一端與驅(qū)動輪內(nèi)花鍵相聯(lián)，其主要作用是傳動扭矩，其次有彈性緩沖與過載保護的作用。當實際載荷大于額定載荷的2~3倍時，花鍵軸由扭矩軸槽處斷裂，對采煤機的機械傳動起到保護作用。
3. 采煤機花鍵軸的斷裂形式
采煤機花鍵軸主要傳遞扭矩，所受到的力主要為交變扭矩及交變應力，應力從花鍵軸外圓表面向里依次遞減；另外，花鍵軸與行星架內(nèi)花鍵或驅(qū)動輪內(nèi)花鍵嚙合間隙不當時，會產(chǎn)生機械激振力，這種嚙合不當主要與花鍵的加工尺寸、形位公差、配合要求和裝配過程有關[2]。因此，采煤機花鍵軸的斷裂形式主要為脆性扭轉過載斷裂、韌性扭轉過載斷裂、扭轉疲勞斷裂，這幾種采煤機花鍵軸斷裂形式的宏觀形貌如圖1~3所示。
圖 2采煤機花鍵軸韌性扭轉過載斷裂宏觀形貌
圖 3采煤機花鍵軸棘狀扭轉疲勞斷裂宏觀形貌
4. 采煤機花鍵軸的斷裂機制
花鍵軸扭轉斷裂后，從斷裂面的破斷情況可判斷金屬的性能和產(chǎn)生破斷的原因（是韌性斷裂還是脆性斷裂，是正應力斷裂還是切應力產(chǎn)生的破斷）。扭轉時圓柱形軸表面的最大切應力與正應力相等，夾角為45°，因此圓柱形試樣在扭轉時，最大切應力發(fā)生在靠近試樣表面和徑向截面上，而最大正應力則發(fā)生在試樣表面處與試樣軸線成45°傾角的斜截面上[3]。
由于表面有滲碳層，材料的抗拉強度比抗剪強度低，所以破斷在受拉應力最大的部位發(fā)生，即沿與試樣軸線成45°傾角的螺旋面上發(fā)生正斷破壞[4]（見圖1）。
由于低碳鋼等塑性材料的抗剪強度低于它們的抗（拉）壓強度，所以在切應力最大處容易發(fā)生破斷，即沿與軸線垂直的橫截面發(fā)生剪切破斷，這種斷口平整，有塑性滑移痕跡（見圖2）。
在扭轉疲勞條件下，裂紋形核后可能沿兩個方向擴展。沿與最大拉伸正應力相垂直的方向擴展稱為正斷型（常發(fā)生于脆性材料）；沿最大切應力方向擴展稱為剪斷型或切斷型（常發(fā)生于延性材料）（見圖3）。
采煤機花鍵軸有時也會發(fā)生復合扭轉疲勞斷裂（見圖4），這種斷裂形式為兩個相互平行的斷裂面間有約45°的連接面，兩個平行斷裂面為疲勞斷口。對該斷口進行理化檢驗后，發(fā)現(xiàn)花鍵軸存在縱向帶狀組織偏析及非金屬夾雜，按照GB/T 34474.1—2017《鋼中帶狀組織的評定 第1部分：標準評級圖法》及GB/T 10561—2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》進行檢測，將花鍵軸縱向帶狀組織評為4級，將非金屬評為C3級（見圖5~6）。由于花鍵軸存在縱向帶狀組織及非金屬夾雜物，其縱向及橫向的剪應力具有不同的數(shù)值，花鍵軸受扭后，根據(jù)剪應力互等定理，不僅橫截面上產(chǎn)生剪應力，而且包含軸線的縱截面上也會產(chǎn)生剪應力。橫截面上的剪應力沿徑向線性分布，縱截面上的剪應力也沿徑向線性分布，而且二者具有相同的最大值，而花鍵軸沿帶狀組織方向的許用剪應力小于沿橫截面方向的許用剪應力，導致花鍵軸沿縱向截面開裂，發(fā)生復合扭轉疲勞斷裂，這種斷裂形式屬于不良扭轉斷裂。
圖 4采煤機花鍵軸復合扭轉疲勞斷裂宏觀形貌
圖 5花鍵軸縱向帶狀組織微觀形貌
圖 6花鍵軸縱向非金屬夾雜物微觀形貌
5. 采煤機花鍵軸斷裂預防措施
（1）設計方面：采用有限元軟件對花鍵軸的尺寸和受力狀態(tài)進行模擬分析，以獲得合適的外形尺寸及剪切槽。
（2）選材及鍛造方面：花鍵軸所用材料需經(jīng)過鍛造，使其縱向帶狀組織不大于2級，非金屬夾雜物滿足A≤2.0級、B≤1.5級、C≤1.5級、D≤1.0級。
（3）理化試驗方面：對花鍵軸的材料進行熱處理及理化檢驗，獲得準確的扭轉剪切強度。
（4）熱處理方面：在花鍵軸熱處理過程中，防止花鍵軸表面滲碳。
（5）加工方面：對剪切槽處磨圓滾光，使剪切槽表面粗糙度符合圖紙的要求。
6. 采煤機花鍵軸改進優(yōu)化效果
根據(jù)花鍵軸的斷裂機制，找到花鍵軸發(fā)生斷裂的主要原因為縱向非金屬夾雜物及帶狀組織，次表面有滲碳層，以及存在設計不合理的剪切槽。采取的改進措施有優(yōu)化設計、加強原材料控制、改進鍛造和熱處理工藝等，從設計、制造、熱處理等方面對160余種采煤機花鍵軸進行了優(yōu)化。經(jīng)過2a多的使用，花鍵軸壽命是原來的1.5~2.0倍，且斷裂形式均為良性斷裂，未出現(xiàn)復合扭轉疲勞及脆性扭轉過載斷裂，未對其他零件造成二次損壞，獲得了良好的使用效果。
文章來源——材料與測試網(wǎng)