200噸鑄造起重機(jī)花鍵軸斷裂原因分析

虞 強(qiáng)

（攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司，攀枝花 617000）

0 前言

200噸鑄造起重機(jī)是我廠關(guān)鍵設(shè)備之一。1號方坯鋼水接收跨2號200噸起重機(jī)2003年12月底投入生產(chǎn)以來，走行機(jī)構(gòu)萬向聯(lián)軸器多次出現(xiàn)突然斷裂，引發(fā)萬向聯(lián)軸器花鍵軸高空墜落險肇事故。

2013年12月17日23時43分左右，一方接收2號200噸起重機(jī)空載運(yùn)行至一方2號轉(zhuǎn)盤上方時，走行東北角萬向聯(lián)軸器的花鍵軸掉落至零米地面上，重約10千克，墜落高度30米，給地面行走職工人身安全帶來極大威脅，圖1為斷裂事故現(xiàn)場。

為了分析萬向聯(lián)軸器墜落事故險肇原因，杜絕事故再次發(fā)生。保證設(shè)備安全運(yùn)行，對走行萬向聯(lián)軸器強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，斷裂的花鍵軸宏觀形貌和斷口進(jìn)行觀察分析，對花鍵軸的金相組織、形狀尺寸及硬度進(jìn)行測試。

圖1 斷裂現(xiàn)場

1 萬向聯(lián)軸器驗(yàn)算

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

圖2 走行機(jī)構(gòu)傳動圖

圖2 為200噸鑄造起重機(jī)走行機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)簡圖，電機(jī)額定功率N=38 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速n電=728 r/min，減速機(jī)速比i=20，車輪直徑d為710 mm，最大輪壓575 kN，萬向聯(lián)軸器型號為SWF285F-2×800，最大允許靜轉(zhuǎn)矩Tm=51 kN·m，允許對稱疲勞轉(zhuǎn)矩Tf=29 kN·m。根據(jù)手冊[1-2]，驗(yàn)算如下。

1.2 靜強(qiáng)度驗(yàn)算

計算轉(zhuǎn)矩Tc

式 （1） 中 ：u—— 滑 動 摩 擦 系 數(shù)（0.15～0.2），取0.2；d——車輪直徑（m），為0.71 m；∑Pmax——若一根聯(lián)軸器驅(qū)動一個車輪，即為該車輪的最大輪壓（kN），為575 kN。

Tc≤Tm，靜強(qiáng)度滿足要求。

1.3 疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算

聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速n：

理論轉(zhuǎn)矩T：

計算轉(zhuǎn)矩Tc：

式（2）～（4）中：K3—電機(jī)頻繁過載系數(shù)（工作級別≥M6，取1.8）；N—電機(jī)額定功率（kW）；n—聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速(r/min)。

Tc≤Tf，疲勞強(qiáng)度滿足要求。

2 外觀檢查

花鍵軸斷裂位置如圖3所示，斷裂發(fā)生在軸身與花鍵段的過渡處。斷口面雖已經(jīng)嚴(yán)重磨損，但顯示一圈未焊的圓形痕跡。圓形痕跡距軸頸表面大約12 mm。斷裂起源于圓形痕跡的外側(cè)，圖4顯示尚未磨損的斷裂起源點(diǎn)。

圖3 花鍵軸斷口形態(tài)

圖4 尚未磨損的斷裂源

花鍵齒寬窄不一。圖5示花鍵端面的外貌，標(biāo)尺“1 cm”正對的一個花鍵齒最小，只有11 mm，其余花鍵齒的寬度在14～14.3 mm范圍不等。花鍵齒齒面存在部分磨損，圖5中用黑線標(biāo)識的對應(yīng)齒面有相當(dāng)長度被磨損，而另一段沒有磨損，說明花鍵軸在系統(tǒng)中對中不良。從圖6還可看出，齒間有加工溝槽。

圖5 花鍵軸自由端面外貌

圖6 齒間加工溝槽圖

3 金相組織及硬度檢查

通過斷裂源區(qū)切取的金相試樣，拋光浸蝕，顯微鏡觀察[3]發(fā)現(xiàn)焊道下裂紋，見圖7，說明修復(fù)焊的工藝不當(dāng)。表面堆焊層組織為定向凝固的柱狀晶，而熱影響區(qū)組織為馬氏體或馬氏體+貝氏體的混合組織，見圖8，說明焊前沒有預(yù)熱，焊后又沒有熱處理。

圖7 熱影響區(qū)和焊補(bǔ)層的裂紋

圖8 熱影響區(qū)的組織和裂紋圖

對于42CrMo鋼，含碳量和合金含量都較高，淬透性好[4]，在焊接過程中必須嚴(yán)格控制冷卻速度，才能避免淬火組織和熱影響區(qū)開裂。

從花鍵軸上切取橫向試樣，從花鍵齒至內(nèi)部測定布氏硬度[5]見表1，結(jié)果為（186～252HB），不能滿足技術(shù)要求（285-321HB）。

4 改進(jìn)措施

（1）在萬向聯(lián)軸器下方增設(shè)檢修平臺，便于日常對萬向聯(lián)軸器的檢查，同時避免萬向聯(lián)軸器斷裂后的高空墜落。

表1 硬度檢驗(yàn)結(jié)果

（2）對在用的萬向聯(lián)軸器進(jìn)行無損檢測，以確定是否存在裂紋。

（3）將萬向聯(lián)軸器的花鍵軸安裝在沖擊載荷相對較低的減速機(jī)端，降低振動載荷對花鍵軸的影響。

（4）選取質(zhì)量可靠的廠家，提高萬向聯(lián)軸器備件質(zhì)量的可靠性。

5 結(jié)論

（1）通過以上驗(yàn)算和分析，設(shè)計的萬向聯(lián)軸器強(qiáng)度滿足實(shí)際工作要求。

（2）使用中的花鍵齒加工質(zhì)量低劣，會造成振動載荷。花鍵軸變形或在系統(tǒng)中不對中，造成偏磨，同時不能均勻承載載荷。

（3）補(bǔ)焊層組織為定向凝固的柱狀晶，熱影響區(qū)出現(xiàn)馬氏體，說明焊前沒有預(yù)熱，焊后又沒熱處理，因此產(chǎn)生焊接裂紋。如果焊條沒有烘烤，會加劇焊道下產(chǎn)生冷裂紋的傾向。焊接裂紋在使用中擴(kuò)展，最終造成花鍵軸斷裂。

（4）通過按照改進(jìn)措施實(shí)施后，提高了設(shè)備安全可靠性，保證了設(shè)備的安全運(yùn)行，避免了萬向聯(lián)軸器高空墜落事故發(fā)生。

［1］徐灝.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］張質(zhì)文，虞和謙，王金諾，等.起重機(jī)設(shè)計手冊［M］.北京：中國鐵道出版社，1998.

［3］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004.

［4］陳國民.齒輪材料和熱處理［Z］.鄭州機(jī)械研究所，2004.

［5］韓德偉.金屬硬度檢測技術(shù)手冊［M］.長沙：中南大學(xué)出版社，2003.