马小明,周 阳
(华南理工大学机械与汽车工程学院,广州 ５１０６４０)
摘 要:某双螺杆挤出机的螺杆在运行过程中发生早期断裂,通过断口的宏观观察和扫描电镜观察、化学成分分析、显微组织观察、力学性能测试和有限元模拟,找出了螺杆轴断裂失效的原因.结果表明:螺杆轴发生了扭转疲劳断裂,裂纹起源于齿根,且有多个疲劳源;芯轴的花键齿根部是螺杆轴应力集中的部位;热处理工艺欠佳导致材料内部微孔聚集、组织不均匀,这些因素最终致使螺杆轴发生早期疲劳断裂.
０ 引 言
由于优异的混炼性和高生产效率等特性,双螺杆挤出机已在聚合加工中占据重要地位,而螺杆的结构和强度直接影响双螺杆挤出机的正常运转和生产系统的可靠安全运行.大型螺杆一旦失效,将会造成大规模停产,重则危及生产人员的安全.
某塑料厂聚烯烃生产车间一套双螺杆挤出机在运行过程中发生了异常状况,经检修发现其左轴断裂成两段.此挤出机的型号为 TEX７７αⅡ,螺杆外径为８２．５mm,去螺节后花键芯轴直径为４２．７mm,转速为１２０~１２００r??min－１,长径比为５６,最大输入功率为８３０kW.该挤出机共有１６节套筒,断裂位置在第６节和第７节套筒之间.据了解,损坏时该挤出机的转速为１１３５r??min－１.挤出机螺杆轴的芯轴材料是２０MnCr５钢,该型号钢一般在渗碳或调质后使用.为了找到螺杆轴断裂的原因,防止类似事故再次发生,减少经济损失,作者对断轴进行了失效分析,并提出了改进措施.
１ 理化检验及结果
１．１ 断口宏观形貌
螺杆轴断为两节,由于两边断口对称,取几何尺寸较长的一段进行观察.由图１可见,螺杆轴断口平整且无明显的塑性变形痕迹,断口平面与主轴线垂直,且有典型的脆性材料扭转断裂的特征.在断口上,肉眼可见明显的疲劳弧线特征.从裂纹扩展情况可知疲劳源位于花键齿根部,且有多个疲劳源;断裂源处形成了人字条纹,随着裂纹的扩展,裂纹由细变粗,此方向就是裂纹的扩展方向.疲劳台阶出现在裂纹源区和扩展区,这表明在疲劳开裂时,起始应力较大[１].
１．２ 断口微观形貌
将花键芯轴断口在超声波清洗机里用丙酮溶液反复清洗,然后利用扫描电子显微镜观察断口形貌.由图２(a)和(b)可见,在花键齿根部的裂纹源区可观察到放射条纹,并伴随有明显的放射台阶.此外,在裂纹源区还发现了大量的微孔聚集,如图２(c)所示.在裂纹扩展区可以清楚地看到裂纹弧线呈方向性连续或断续分布,带台阶的疲劳弧线平行于裂纹前缘而延伸,是疲劳破坏过程中裂纹扩展的微观痕迹,疲劳辉纹垂直于裂纹的扩展方向,如图２(d)所示.由图２(e)和(f)可见,瞬时断裂区存在大量的河流花样以及二次裂纹.
１．３ 化学成分
采用 X射线荧光光谱仪和高频红外碳硫分析仪对花键芯轴进行化学成分分析,结果如表１所示,通 过 与 GB/T ３０７７ － １９９９«合 金 结 构 钢 »中２０MnCr５钢的标准化学成分对比后发现,硅元素含量超标.硅主要固溶于基体中,既不形成碳化物,也不与其他碳化物相溶,硅不仅可以提高钢的淬透性,还可以提高高温回火过程中析出的特殊碳化物的弥散度,使二次硬化峰增高,有利于提高基体的强度及回火抗力[２].此外,硅还有助于增加钢的抗高温氧化能力.但是,较高的硅含量会增加钢的回火脆性,硅的固溶还会使钢的冲击韧性降低.
１．４ 显微组织
在断轴的内部、边缘以及螺节上制取金相试样,经研磨、抛光后再用体积分数为３．５％的硝酸酒精腐蚀,然后采用DMMＧ４００C型光学显微镜对其显微组织进行观察.由图３(a)可知,花键芯轴内部的基体组织为呈板条状分布的低碳马氏体,又称板条马氏体.板条马氏体具有良好的强度和较好的塑性和韧性,但是在芯轴边缘制取的金相试样组织中出现了针状马氏体,如图３(b)所示,晶粒较为细小.针状马氏体的硬度高,脆性大,之所以出现了针状马氏体是因为芯轴表面进行了渗碳处理,这虽然提高了它的硬 度 和 耐 磨 性,但 也 降 低 了 它 的 韧 性.根 据GB/T２５７４４—２０１０«钢件渗碳淬火回火金相检验»对其形态进行评级,评级结果为４级(１~３级为正常).螺节处的基体组织为黑色的回火马氏体,如图３(c)所示,基体上分布着大量的白色碳化物,组织形态评级为４级(块粒系),组织分布较为均匀.大量的白色网状碳化物使得钢的强度降低,脆性增大[３].材料本身极硬本是做挤出机螺杆轴材料的优势,但如果在材料中存在硬度大、体积大的块状物,在高速运转过程中会对材料产生很大的冲击,从而使材料表面产生裂纹.
１．５ 力学性能
根据 GB/T２９７５－１９９８«钢及钢产品:力学性能试样取样位置及试样制备»,沿着螺杆轴径向制取冲击、扭转、拉伸和硬度试样,并进行相应的性能测试,可以得到螺杆轴的力学性能,结果如表２所示.可知,螺杆轴的力学性能基本符合 GB/T３０７７－１９９９«合金结构钢»的要求.
２ 强度校核及花键芯轴的有限元模拟
２．１ 静强度校核
根据轴的扭转强度理论[４]可得到校核螺杆轴扭 转剪切应力τmax的公式,见式(１)和式(２).
式中:Mn 为芯轴传 递 的 扭 矩,N??mm;P 为 功 率,kW;n 为转速,r??min－１;Wp 为抗扭截面模量,取Wp＝πd３/１６,d 为螺杆轴外廓直径.已知该挤出机的最大输入功率为８３０kW,运行转速范围为１２０~１２００r??min－１,螺杆轴外廓直径d 为４２．７mm.由挤出机的运行转速范围可得扭转剪切应力的范围是４３２．３~４３２３ MPa.工厂在实际操作时,输入功率仅为最大功率的６５％,则可得输入功率为５３９．５kW,转速为１１３５r??min－１,在轴的边缘处,螺杆轴所受的扭转剪切应力最大,计算可得最大的扭转剪切应力为２９７．１ MPa,仅为抗扭强度的３２．３％,抗拉强度的 ２２．３７％.可见轴体所受的扭转剪切应力远小于材料的抗扭强度和抗拉强度,这说明螺杆轴的断裂不是由过载引起的.
２．２ 花键芯轴的有限元分析
２．２．１ 有限元模型
螺杆轴在运行中主要受扭转应力作用,其芯轴的花键承受交变弯曲载荷与冲击载荷的作用,因此可能导致其根部存在应力集中现象.为研究应力集中对螺杆轴断裂失效的影响,使用 ANSYS有限元软件分析螺杆轴的应力集中.螺杆的芯轴为渐开线花键芯轴,花键齿数为２４,齿顶圆直径为４２．７mm,齿根圆直径为３８．７ mm.利用 SolidWorks软件进行三维实体建模,然后导入 ANSYS软件进行前处理.定义材料属性:弹性模量为２．０９×１０５ MPa,泊松比为０．２８.选用２０节点单元 Solid１８６对模型进行自由划分网格,划分后的单元数是２０２０６１个,花键芯轴的有限元模型如图４所示.
２．２．２ 应力模拟结果
双螺杆挤出机的螺杆在充满物料的机筒中是悬空的,可以看成是悬臂梁结构,所以在加位移约束时,对芯轴根部与联轴器连接的部分进行位移约束.在花键的每个齿的外表面施加x 和y 方向上的位移约束,约 束 值 为 零;在 端 面 加 全 约 束,约 束 值 为零[５].考虑到螺杆的芯轴主要受扭转应力作用,在ANSYS软件中进行扭矩加载时,需要将扭矩进行等效转化加载.对于渐开线花键芯轴,扭矩可以等效为渐开线面上的均布载荷,计算公式见式(３).
式中:p 为承载面所受的压应力;ψ 为各齿载荷不均匀系数,取０．７５;z为齿数;h 为齿的工作高度,和模数相等;l为齿的工作长度;d′为芯轴分度圆直径.已知螺杆所传递的功率为５３９．５kW,转速n 为１１３５r??min－１.为了使加载简化,假设轴向消耗的功平 均 分 配. 由 式 (２)可 得 出 要 施 加 的 扭 矩 为４５３９．４１N??m.根据计算,加载在花键每个齿侧面的均布载荷为１．７７MPa.由图５可以看到,芯轴的最大变形量为９２．５μm.由图６可见,花键齿根部的等效应力最高,为应力集中区域,最大应力为３５５MPa,与理论计算值略有差异.这是因为 ANSYS软件在模拟时考虑到了应力集中的影响,所以模拟值更加准确.从齿顶到齿根,等效应力从３９．９ MPa增大到３５５ MPa.从断口的宏观形貌可知,螺杆轴断裂的裂纹源也是在花键齿根部,说明局部应力集中是裂纹萌生的主要原因.
２．３ 疲劳强度校核
螺杆轴在工作过程中主要受扭矩作用,根据机械设计手册,在轴的疲劳强度安全系数校核中主要考虑扭矩作用时的安全系数[６].安全系数的计算公式见式(４).
式中:Sτ 为只考虑扭矩作用时的安全系数,无量纲;τ－１为２０MnCr５钢在对称循环应力作用下的扭转疲劳极限,２６０MPa;kτ 为应力集中系数,取１．５５;β为表面质量系数,取 ２．３;ετ 为扭转时的尺寸影响系数,取０．７８;ψτ 为材料扭转的平均应力折算系数,取０．１５;τa 和τm 分别为扭转应力的应力幅和平均应力,τa＝τm ＝τ/２＝１７７．５MPa,τ 在这里取有限元分析得出的最大扭转应力３５５MPa.从相关文献[７]可知,当载荷不够精确、材料组织不够均匀时,许用安全系数为１．５~１．８.由式(４)的计算结果可知,轴的疲劳强度安全系数小于轴的许用安全系数,可见花键齿根部这个薄弱部位的疲劳强度是不满足要求的.
３ 断裂原因分析
通过以上分析可以初步判定此螺杆轴发生了扭转疲劳断裂.作者认为螺杆轴断裂的原因有以下几个方面.
对螺杆轴的断口形貌进行观察可知,芯轴的花键齿根部是疲劳裂纹的起源区.由于花键齿根部的截面尺寸骤降,易出现应力集中现象.强度校核的结果说明,齿根部的疲劳强度安全系数小于许用安全系数,是螺杆轴的薄弱部位.大量的微孔出现在断口疲劳源区,微孔会使其附近区域的应力分布发生改变,易产生局部应力集中[８].另外,微孔聚集对金属基体的连续性和力学性能不利,会直接导致承受应力的有效面积比原始面积小.由于微孔边缘的应力集中,疲劳裂纹在扩展时,与前方微孔不断汇合,将加速疲劳裂纹的扩展;随着裂纹不断扩展,材料内部承受交变应力的有效面积逐渐减小,当实际工作强度低于所受应力时,发生瞬时断裂.
经过调质处理后的螺杆轴的基体组织为板条马氏体,但在局部区域却发现了大量的针状马氏体,组织评级为４级,不符合标准评级的等级.马氏体的硬度和强度较高,但其塑性和韧性较差[９].螺杆轴的调质处理工艺欠佳,导致材料的组织不均匀,这是导致螺杆轴发生疲劳断裂的内在原因.
４ 结论及建议
(１)螺杆轴的断裂性质是多源疲劳断裂,疲劳裂纹萌生于花键齿根部;螺杆轴花键齿根部局部应力集中、材料组织不均匀及内部微孔聚集共同导致其在早期就发生疲劳断裂.
(２)为避免同类事故再次发生,建议优化轴的结构设计,可采用加大过渡圆角等措施,降低螺杆轴变截面过渡区域的应力水平,避免因加工缺陷导致的应力集中;控制热处理工艺,尽量消除粗大的马氏体组织,减少冶金缺陷,从而确保材料组织均匀;提高螺杆轴的安装精度以及花键的配合精度,减小运行时带来的冲击载荷.