十字萬向節軸接軸中間管斷裂原因分析

欒宜強　朱圣菊

摘 要：通過對接軸斷裂部位中間管，進行化學成分檢測、組織檢測、斷口分析、受力分析，在接軸中間管上進行電弧焊、火焰切割等操作，出現應力集中，形成微裂紋，微裂紋集聚擴展形成疲勞裂紋，疲勞裂紋擴展到一定程度，產生瞬時斷裂。接軸中間管部位存在電弧焊、火焰切割痕跡是主要疲勞源，是造成疲勞斷裂的根本原因。

關鍵詞：裂紋；斷裂；焊接；電弧焊；火焰切割；應力集中；疲勞

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.044

1 前言

不銹鋼爐卷軋機熱軋生產線工藝流程簡述：煉鋼連鑄車間生產的合格連鑄板坯經過輥道送往加熱爐上料輥道，直接熱裝入加熱爐；需要修磨的連鑄板坯經過修磨或扒皮，由吊車吊運到加熱爐上料輥道，冷裝入爐。 連鑄板坯經稱重、核對坯號后進入步進式加熱爐加熱，根據生產品種和工藝不同，板坯加熱溫度為1100～1270℃。加熱好的板坯經出爐輥道送往粗軋機前高壓水除鱗裝置，以清除連鑄和加熱過程產生的一次氧化鐵皮，然后進入粗軋機軋制。粗軋機由立輥軋機和四輥軋機組成，板坯在四輥軋機上軋制5～7道，將板坯軋制成厚度為25～34mm左右的中間坯。由粗軋機軋出的中間坯，經過中間輥道進入精軋區。由爐卷機前的切頭、切尾飛剪切去不規則的頭、尾，然后由夾送輥除鱗機去除二次氧化鐵皮。爐卷軋機為四輥可逆式，軋機前后各有一座卷取爐和一臺夾送輥。卷取爐內的溫度采用計算機控制，溫度范圍950～1100℃，滿足加熱保溫中間坯的要求。

中間帶坯首先由爐卷軋機入口側卷取爐通過，在爐卷軋機中進行第一道次軋制。帶坯頭部出軋機后，由出口側的夾送輥送入卷取爐卷取，卷筒與軋機同步；當帶坯再進行可逆軋制時，入口側的夾送輥將帶坯送入入口側出口側卷取爐中卷取。如此帶坯在精軋機上進行5～9道次的可逆軋制，軋制為成品厚度。爐卷軋機最大出口速度為13.2 m/s。從爐卷軋機軋出的帶鋼通過輸出輥道，根據鋼種采用不同的冷卻方式及冷卻工藝，然后送至卷取機卷取。經自動打捆機打捆后，由鋼卷運輸機以臥卷的方式運至鋼卷庫內冷卻堆放，以供不銹鋼冷軋廠原料。

2 爐卷軋機概況及技術參數

爐卷軋機最大軋制力： 50000kN，最大軋制速度：0-13.2m/s，工作輥直徑：φ720/φ650mm，工作輥輥身長度：2080mm。該精軋機是四輥可逆式軋機，工作輥采用軸向竄動HCW，上下工作輥在液壓缸作用下軸向竄動。機架牌坊上裝有固定塊及平衡彎輥塊，更換工作輥時不需要拆卸油缸配管。并在工作輥竄動時平衡彎輥缸始終頂壓在工作輥軸承中心處。為了避免工作輥偏轉，工作輥對支承輥向軋機出口側偏移布置。上支承輥通過起吊橫梁和拉桿裝在上橫梁上的液壓平衡缸上，壓緊AGC液壓缸。

爐卷軋機主傳動裝置，用于傳遞軋機軋制扭矩，主傳動接軸長度12680mm，兩端采用SWC型十字萬向節接軸，最大回轉直徑：Ф780 mm ，轉速：120/350 r/min液壓平衡缸下接軸：Ф200/Ф140×150 mm 液壓平衡缸上接軸：Ф200/Ф140×280 mm。上下接軸主傳動電機交錯平行布置，功率6000kW，輥端十字頭設計為Φ640mm平行布置。接軸疲勞扭矩：1085 KN.m，切斷扭矩：2300KNm[1]。

3 現場問題

2018年1月4日爐卷軋機上接軸在正常軋鋼過程中發生斷裂，該接軸2009年4月份上線，先后使用過6次，過鋼量1186653噸。

4 接軸斷裂分析

4.1 化學成分檢測

化學成分檢測結果符合GB/T 3077 合金結構鋼34Cr2Ni2Mo鋼要求[2]。

4.2 組織檢測

對斷裂部位進行檢測，組織為回火索氏體，屬于正常的調質組織，奧氏體晶粒度。硬度32.5HRC（要求≤269HBW（27.5HRC））。

4.3 斷口分析

接軸斷裂部位，中間管端部靠近軸承。斷口下部存在疲勞擴展區，裂紋源位于軸身表面。斷口大部分為瞬斷區，斷裂從上下兩個方向向中部擴展。軸端存在焊接和火焰切割痕跡。

4.4 受力分析

接軸最大主應力、最小主應力以及等效應力最大值均出現在接軸中部安裝軸承處。接軸裝平衡軸承處應力集中部位既受拉應力又受壓應力系統有時有較大的沖擊扭矩。

上接軸平衡缸規格∮200*∮140/280，工作壓力16MPa。實測平衡缸無桿腔壓力6.5MPa，桿腔壓力5MPa，根據液壓缸力矩計算公式：

F推=∏/4*D2*P*106=3.14/4*0.2*0.2*6.6*106=207.2KN

F拉=∏/4*（D2-d2）*P*106=3.14/4*（0.22 -0.142）*5*106=80.07KN

接軸平衡力為：207.2-80.07=127.13KN（接軸重量205.8KN）。

5 斷裂原因

通過對接軸斷裂部位中間管，進行材質化學成分、組織檢測，斷口、受力分析。接軸材質符合要求，組織為調質組織。斷口中大部分為瞬時斷口，接軸在斷裂過程中受到較大的沖擊載荷。疲勞源附近存在電弧焊、火焰切割痕跡，疲勞源存在淬火馬氏體，屬火焰切割引起的組織變化。在接軸中間管軸端上進行焊接和火焰切割等操作，出現應力集中，形成微裂紋，微裂紋集聚擴展形成疲勞裂紋，疲勞裂紋擴展到一定程度，產生瞬時斷裂。

6 結論

斷口中大部分為瞬時斷口，接軸中間管軸端部位存在電弧焊、火焰切割痕跡是主要疲勞源，是造成疲勞斷裂的根本原因。禁止在萬向節軸接軸上焊接和火焰切割等操作，避免出現應力集中形成疲勞源，是避免此類萬向節軸接軸斷裂的重要措施。

參考文獻：

[1]師忠秀.機械原理[M].機械工業出版社，2012（01）：43-56.

[2]GB/T 3077-2015 合金結構鋼[S].北京：中國標準出版社，2016.

作者簡介：欒宜強（1977-），男，山東萊蕪人，研究生，高級工程師。