圖 1采煤機(jī)花鍵軸脆性扭轉(zhuǎn)過載斷裂宏觀形貌
采煤機(jī)是煤礦機(jī)械綜采設(shè)備成套系統(tǒng)中的核心設(shè)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(duì)采煤機(jī)綜合性能的要求越來越高，需要采煤機(jī)具有跑得快、割得動(dòng)、可靠性高等特點(diǎn)，而花鍵軸是采煤機(jī)行走系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，起到傳遞扭矩、彈性緩沖、過載保護(hù)等作用[1]，可直接將扭矩傳遞到行走輪上，使采煤機(jī)行走割煤。另外，采煤機(jī)還可使?fàn)恳刻栞?、行星輪等其他零件免受過載沖擊，提供過載保護(hù)；但花鍵軸頻繁斷裂或異常斷裂會(huì)使采煤機(jī)無法行走采煤，不良的斷裂形式不僅起不到保護(hù)作用，還會(huì)損壞其他零部件。為了提高采煤機(jī)花鍵軸的設(shè)計(jì)、選材和制造質(zhì)量，筆者針對(duì)花鍵軸的斷裂原因及斷裂機(jī)制進(jìn)行分析，并提出了預(yù)防花鍵軸斷裂的有效預(yù)防及改進(jìn)措施。
1. 采煤機(jī)花鍵軸的結(jié)構(gòu)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(dòng)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(jī)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(dòng)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(jī)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(yīng)力集中和淬火裂紋的可能性。
2. 采煤機(jī)花鍵軸的功能特點(diǎn)
采煤機(jī)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(diǎn)，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(jī)花鍵軸是外徑定心的，這時(shí)需要用專用的滾刀和插齒切齒，常用于徑向載荷較大的動(dòng)聯(lián)接。與平鍵聯(lián)接相比，花鍵聯(lián)接有以下優(yōu)點(diǎn)：① 齒對(duì)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(yīng)力較小，被聯(lián)接件的強(qiáng)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(dòng)時(shí)才能得到較好的引導(dǎo)，而且也容易保證零件的互換性。
采煤機(jī)花鍵軸共計(jì)約160種，可分為有剪切槽與無剪切槽兩類?；ㄦI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(dòng)輪內(nèi)花鍵相聯(lián)，其主要作用是傳動(dòng)扭矩，其次有彈性緩沖與過載保護(hù)的作用。當(dāng)實(shí)際載荷大于額定載荷的2~3倍時(shí)，花鍵軸由扭矩軸槽處斷裂，對(duì)采煤機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)起到保護(hù)作用。
3. 采煤機(jī)花鍵軸的斷裂形式
采煤機(jī)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(yīng)力，應(yīng)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(dòng)輪內(nèi)花鍵嚙合間隙不當(dāng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械激振力，這種嚙合不當(dāng)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(guān)[2]。因此，采煤機(jī)花鍵軸的斷裂形式主要為脆性扭轉(zhuǎn)過載斷裂、韌性扭轉(zhuǎn)過載斷裂、扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，這幾種采煤機(jī)花鍵軸斷裂形式的宏觀形貌如圖1~3所示。
圖 2采煤機(jī)花鍵軸韌性扭轉(zhuǎn)過載斷裂宏觀形貌
圖 3采煤機(jī)花鍵軸棘狀扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂宏觀形貌
4. 采煤機(jī)花鍵軸的斷裂機(jī)制
花鍵軸扭轉(zhuǎn)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(yīng)力斷裂還是切應(yīng)力產(chǎn)生的破斷）。扭轉(zhuǎn)時(shí)圓柱形軸表面的最大切應(yīng)力與正應(yīng)力相等，夾角為45°，因此圓柱形試樣在扭轉(zhuǎn)時(shí)，最大切應(yīng)力發(fā)生在靠近試樣表面和徑向截面上，而最大正應(yīng)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(qiáng)度比抗剪強(qiáng)度低，所以破斷在受拉應(yīng)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(qiáng)度低于它們的抗（拉）壓強(qiáng)度，所以在切應(yīng)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(zhuǎn)疲勞條件下，裂紋形核后可能沿兩個(gè)方向擴(kuò)展。沿與最大拉伸正應(yīng)力相垂直的方向擴(kuò)展稱為正斷型（常發(fā)生于脆性材料）；沿最大切應(yīng)力方向擴(kuò)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(jī)花鍵軸有時(shí)也會(huì)發(fā)生復(fù)合扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂（見圖4），這種斷裂形式為兩個(gè)相互平行的斷裂面間有約45°的連接面，兩個(gè)平行斷裂面為疲勞斷口。對(duì)該斷口進(jìn)行理化檢驗(yàn)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(píng)定 第1部分：標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖法》及GB/T 10561—2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行檢測(cè)，將花鍵軸縱向帶狀組織評(píng)為4級(jí)，將非金屬評(píng)為C3級(jí)（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(yīng)力具有不同的數(shù)值，花鍵軸受扭后，根據(jù)剪應(yīng)力互等定理，不僅橫截面上產(chǎn)生剪應(yīng)力，而且包含軸線的縱截面上也會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力。橫截面上的剪應(yīng)力沿徑向線性分布，縱截面上的剪應(yīng)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(yīng)力小于沿橫截面方向的許用剪應(yīng)力，導(dǎo)致花鍵軸沿縱向截面開裂，發(fā)生復(fù)合扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，這種斷裂形式屬于不良扭轉(zhuǎn)斷裂。
圖 4采煤機(jī)花鍵軸復(fù)合扭轉(zhuǎn)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(jī)花鍵軸斷裂預(yù)防措施
（1）設(shè)計(jì)方面：采用有限元軟件對(duì)花鍵軸的尺寸和受力狀態(tài)進(jìn)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(jí)，非金屬夾雜物滿足A≤2.0級(jí)、B≤1.5級(jí)、C≤1.5級(jí)、D≤1.0級(jí)。
（3）理化試驗(yàn)方面：對(duì)花鍵軸的材料進(jìn)行熱處理及理化檢驗(yàn)，獲得準(zhǔn)確的扭轉(zhuǎn)剪切強(qiáng)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(duì)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(jī)花鍵軸改進(jìn)優(yōu)化效果
根據(jù)花鍵軸的斷裂機(jī)制，找到花鍵軸發(fā)生斷裂的主要原因?yàn)榭v向非金屬夾雜物及帶狀組織，次表面有滲碳層，以及存在設(shè)計(jì)不合理的剪切槽。采取的改進(jìn)措施有優(yōu)化設(shè)計(jì)、加強(qiáng)原材料控制、改進(jìn)鍛造和熱處理工藝等，從設(shè)計(jì)、制造、熱處理等方面對(duì)160余種采煤機(jī)花鍵軸進(jìn)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(fù)合扭轉(zhuǎn)疲勞及脆性扭轉(zhuǎn)過載斷裂，未對(duì)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(cè)試網(wǎng)