断轴修复工艺分析研究与实践

断轴修复工艺分析研究与实践
摘要在机械设备的运行过程中，一些轴类零件往往由于材质缺陷、制造质量以及过载或疲劳而产生断裂，这不仅严重影响正常生产，而且还会发生重大事故。

因此及时修复断轴，深入研究修复工艺及方法，对现场机械设备修理方面有着重要意义。

关键词断轴；修复；工艺
0 引言
本文主要以节能发电机断轴修复为例。

400kW节能发电机在公司各井队应用广泛，运转过程中出现了转子轴疲劳断裂现象，若以常规方法修理，则是外购新轴更新，需两个月等待时间，存在的问题是购买周期长、费用高、对公司钻井生产进度有极大影响，时间就是效益，为缩短修理周期，降低维修成本，我们进行了本课题的探索与研究。

1 确定修复方案
1.1 提出各种方案
转子轴修复比单轴修复操作难度大，既要保护好转子线圈又要实施焊接、机夹加工等，为此，我们制订了以下方案：
方案一：在原转子轴断裂口位置对接焊修复，保留原轴中段尺寸较充分，装夹加工方便，实施操作空间大。

如图1所示。

方案二：错开原断裂口位置，往轴中段位置上移一台阶对接，要去除一部分原轴尺寸，加工空间狭小。

如图2所示。

图2
1.2 方案确定
1.2.1 加工、焊接方面
第一种方案对接位置离转子较远，加工、焊接操作方便。

1.2.2 装夹车削方面
第一种方案对接位置离转子较远，也利于车削精加工等操作。

1.2.3 热影响、安全性方面
经测量转子轴断裂处直径为Φ85mm，该处是两轴径相连处，第一种方案以该处为对接焊缝位置，相比较第二种方案，轴径相对较细，受焊接热影响区影响较大，焊后对轴的承载安全性差。

第二种方案对接位置避开原断口处，选择在离轴中段位置轴径的左端，此处轴径为Φ110mm，不仅轴径较大，而且距离功率输入位置较远，焊缝圆周长，焊缝高度就可选小些，从而能很好地减少焊接热影响区对主轴颈的不利影响，使断轴再接更加可靠；因此，我们采用第二种方案
1.3 方案的进一步优化
采用第二种方案后，为了充分满足对接轴再次使用要求，必然要加强对转子轴材料修复后使用性能考虑。

通过分析轴的总体结构，从便于焊接和操作考虑，第一种方案虽然加工、焊接、装夹、车削操作方便，但应力产生的影响不容忽视，因此，我们最终确定最佳方案为第二种方案：即采用对接位置前移为我们的最终方案。

2 修复工艺实施过程
2.1 转子轴装夹定位
转子轴进行工艺加工前必须先找定位基准，经对节能发电机转子轴进行综合考虑分析，其左端为完整自由轴端，可作为轴一端基准定位，我们将其装夹于CW61100车床四爪卡盘上方便校正；传动轴右功率输入端为对接轴端，经测量加工位置不足，故利用原有台阶加工一延长套点焊后定位于尾座，从而构成一个整体加工构件。

2.2 转子轴对接位置加工
转子轴全长为1400mm，可在CW6280车床（加工长度为1500mm）进行三爪快速定位加工。

转子轴左自由端装夹于三爪定位卡盘，基准圆柱面以中心架限位装夹，右功率输入端为加工自由端，这样就构成了整体加工框架。

为避免受应力点在接口处，接口前移，先切除断口前一台阶轴段，然后平断口端面，在接口端钻削直径为Φ85mm，深为130mm导入孔，精车孔径尺寸符合技术要求。

2.3 对接轴选料粗加工
1）选料：节能发电机原转子轴材料为35CrMo钢材，而对接轴径最大为Φ110mm，通过调研我厂修理设备时更换的废旧轴料，发现泥浆泵废旧拉杆轴料符合对接轴毛坯料尺寸要求，直径为Φ110.5mm，材料为40Cr，承受冲击、弯扭、高载荷等性能均符合技术要求，且加工及焊接性能好，因此确定该轴料为对接轴的毛坯件，根据要求下料Φ110.5mm×405mm；
2）对接轴加工：对接轴压入后需焊接，所以我们先要确定好焊缝型式，经讨论分析，因焊层较厚，所以采用V型对接环形焊缝更适合本断轴焊接，坡口
为60°。

因为转子离支承轴承较近，可以认为转子轴只受纯扭矩作用，轴上各段面受纯剪切应力作用，计算静配合联接过盈量为0.146mm。

按设计要求车削加工对接轴至图示尺寸：V形坡口、Φ85mm定位孔、配合轴段精加工留过盈量、其余轴段粗加工成毛坯轴段。

对接轴如图3所示。

图3
3）键槽加工：因断轴部分有配合键槽，传动轴装配后轴距大，无法在现有机床装夹铣键槽，因此对接轴必须在装配前加工好键槽，所以对断轴精加工前的装配同轴度要求高，才能保证在转子轴精加工后键槽形位公差在可控范围。

对接轴精加工键槽尺寸为22mm×14mm。

2.4 焊接工艺
1）固定好转子轴，对接孔预热加温到300℃～350℃，将对接新轴压入转子待焊端Φ85mm孔中进行组装对接。

为有效可控焊接变形量，充分利用现有W61100长距车床装夹定位组装转子轴，两端顶针定位，中部固以中心架限位。

校正点焊定位焊缝，冷却至室温待焊；
2）接口环周堆焊，焊前预热焊口位置至250℃～300℃，采用碱性低氢型焊条焊接，焊条使用前经300℃～350℃烘干；将焊缝沿圆周长分成6段，采用分层对称交错焊接，每层焊接厚度2mm左右，分5次焊完，在每两次焊接之间要有2分钟～3分钟冷却，以防止变形；焊接时要采用小电流，短电弧，快速施焊，以待金属熔合过渡；
3）塞焊加固，为加强对接孔、轴配合紧密度，在轴径相叠处施以塞焊工艺，方法是在孔轴相叠中位开孔，为减少焊接应力的产生，用穿插过盈钢销顶部塞焊的方法来实现，如图4所示。

4）检测变形量，利用车床精度检测轴的变形值，同轴度的变形值在Φ0.10mm 以内，符合设计技术要求，有足够的加工余量。

2.5 精加工
将施焊好的转子轴装夹定位于CW6280车床上，检测校正，按设计图纸要求进行车削精加工等。

在车削加工过程中，应严格按原转子轴径尺寸加工，减少加工误差。

3 检测安装及试车
复核各轴段尺寸参数，确认无误后，安装修复好的发电机转子轴，检查各项技术指标符合装配要求，接上电源，空运行30min，测电流、绕组温度，正常。

4 效果分析
4.1 使用效果
节能发电机转子轴修复组装完成后，投入钻井队使用，正常运转400小时后跟踪检查，该发电机运行平稳、振动小，各项电气指标均符合使用要求，目前为止运行正常。

由此我们得出结论，节能发电机转子断轴修复达到了预期制定的“技术参数符合使用要求、低成本”的工作目标。

4.2 经济效益和社会效益
与外购换新相比较，节约成本一万余元。

通过二者对比，我们可以得出如下结论：修复转子轴成本为1 400元，低于预期2 000元的目标，实际为公司节约成本13 000元以上。

而且，我们自行修复断轴，为今后各轴类的修理、工艺改进等后续工作提供了技术参考。

参考文献
[1]吴宗泽.机械零件设计手册[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2]王超然，等主编.新编国际常用金属材料手册[M].北京：北京工业大学出版社，1995.。