磁盤(pán)吊車(chē)吊鉤斷裂分析

虞 強(qiáng)

（攀鋼釩提釩煉鋼廠(chǎng)，四川攀枝花 607023）

0 引言

1#20 t+20 t磁盤(pán)吊車(chē)使用16 t吊鉤從現(xiàn)場(chǎng)吊1槽廢鋼（重約 13 t），當(dāng)?shù)踯?chē)由鐵 5、鐵6道中間行駛至緩冷坑對(duì)面、距火車(chē)皮0.5 m時(shí)，吊鉤頸部位置突然斷裂，廢鋼槽從高空墜落，墜落高度約4 m，所幸沒(méi)有造成人員、鐵軌和火車(chē)皮損傷。將斷裂吊鉤進(jìn)行宏觀(guān)、電鏡、硬度、化學(xué)和金相分析，查明吊鉤斷裂原因。采用吊環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)原吊鉤進(jìn)行改造，解決了吊鉤頻繁斷裂的問(wèn)題。

1 受力分析

1.1 主要結(jié)構(gòu)及吊鉤參數(shù)

下旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是一種旋轉(zhuǎn)吊具，旋轉(zhuǎn)吊具上方設(shè)有十字橫梁，十字橫梁上每個(gè)角安裝有動(dòng)滑輪組，共有4組，與起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩連接。十字吊梁下方設(shè)置旋轉(zhuǎn)吊梁，其間有回轉(zhuǎn)支承裝置，十字橫梁上固定有驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)，減速機(jī)輸出軸齒輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)吊梁上固定的內(nèi)齒圈，十字橫梁與旋轉(zhuǎn)吊梁間裝有推力軸承，軸承座下端設(shè)有密封法蘭并與旋轉(zhuǎn)軸配合，軸承座與旋轉(zhuǎn)軸之間有定位軸承。橫梁下方對(duì)稱(chēng)設(shè)置2套電磁盤(pán)，吊磁盤(pán)與橫梁間采用吊鏈連接，橫梁中心安裝有用于檢修或翻廢物用的16 t吊鉤組。

吊鉤設(shè)計(jì)參數(shù)：材料為20#鋼，鍛造，硬度臆156 HB，吊鉤在加工前經(jīng)正火處理，抗拉強(qiáng)度滓b逸410 MPa，屈服強(qiáng)度滓s逸245 MPa，吊鉤頸部直徑68 mm。

1.2 附加彎曲應(yīng)力

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，回轉(zhuǎn)掛梁的吊鉤在負(fù)荷狀態(tài)下回轉(zhuǎn)動(dòng)作的啟動(dòng)和制動(dòng)瞬間，由于慣性作用吊鉤明顯處于歪斜狀態(tài)，從而使頸部受到彎曲載荷，即附加彎曲應(yīng)力的作用。由于回轉(zhuǎn)掛梁的回轉(zhuǎn)作用是來(lái)回重復(fù)的，可以認(rèn)為是一種交變載荷的作用。2017年8月該吊車(chē)16 t吊鉤再次發(fā)生頸部螺紋退刀槽處斷裂，用磁粉和滲透探傷檢查，發(fā)現(xiàn)其余吊鉤也此處存在裂紋，由此認(rèn)為這是一種疲勞破壞。可理解為此部位存在加工引起的應(yīng)力集中，加之為直徑最小處，故此處易發(fā)生疲勞裂紋。

1.3 疲勞強(qiáng)度計(jì)算

圖1為吊鉤歪斜狀態(tài)時(shí)的受力圖，考慮吊鉤螺母的約束作用，將吊鉤螺紋以下部位作懸臂處理。并將重力Q1和提升力T的力平衡點(diǎn)設(shè)在光柄的中部。圖1中的子員和子2為吊鉤橫梁的支反力，假定吊鉤歪斜狀態(tài)時(shí)的載荷作用線(xiàn)與垂直狀態(tài)軸線(xiàn)交于吊鉤橫梁的幾何中心，即可認(rèn)為吊鉤繞此中心轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，兩軸線(xiàn)的交角為θ。

參照?qǐng)D 1，按 Q=127.4 kN，求得附加彎矩為2853.76 MPa。危險(xiǎn)斷面上的拉伸應(yīng)力為358.14 MPa，彎曲應(yīng)力92.49 MPa，最大工作應(yīng)力127.59 MPa。應(yīng)用安全系數(shù)法校核疲勞強(qiáng)度，得到安全系數(shù)為0.68。根據(jù)文獻(xiàn)［2-4］，對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力的許用安全系數(shù)應(yīng)該在1.5～2.5，但對(duì)吊鉤頸部螺紋斷面的校核得到的安全系數(shù)僅為0.68，顯然疲勞強(qiáng)度不滿(mǎn)足要求。

圖1 16 t吊鉤歪斜狀態(tài)受力

2 失效分析

將吊鉤斷裂樣品進(jìn)行宏觀(guān)、電鏡、硬度、化學(xué)和金相分析，進(jìn)一步查明吊鉤斷裂的原因。

2.1 宏觀(guān)檢驗(yàn)

圖2 吊鉤宏觀(guān)形貌及鉤尾軸A處斷口形貌

如圖2所示，吊鉤斷裂發(fā)生在鉤尾軸上，A處斷裂面與軸線(xiàn)垂直，具有典型雙彎曲疲勞斷裂特征。用1%稀鹽酸清洗斷口表面銹跡，可見(jiàn)斷裂源位于軸表面，呈現(xiàn)多源斷裂特征，裂紋擴(kuò)展區(qū)具有較清晰的貝殼狀條紋。體視顯微鏡下觀(guān)察斷口表面，斷口B處可見(jiàn)明顯加寬的機(jī)加工痕跡，斷口C處可見(jiàn)多源疲勞臺(tái)階。經(jīng)測(cè)量軸外徑為84 mm，螺紋根部斷口直徑為69 mm，左側(cè)斷口疲勞區(qū)最大寬度為15 mm，右側(cè)斷口疲勞區(qū)最大寬度為22 mm，中間瞬斷區(qū)最大寬度為32 mm，疲勞斷口呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)分布，說(shuō)明兩側(cè)受力不一致。

2.2 低倍檢驗(yàn)

切取近斷口部位鉤尾圓軸形樣品，機(jī)加工成低倍試樣，經(jīng)50%熱鹽酸水溶液腐蝕10 min，取出，沖洗，吹干，經(jīng)肉眼觀(guān)察可見(jiàn)局部錠形偏析區(qū)存在變形，試樣表面可見(jiàn)3組對(duì)稱(chēng)分布的缺口，經(jīng)觀(guān)察缺口側(cè)面為矩形壓痕（壓痕一側(cè)深，另一側(cè)較淺）。

2.3 電鏡斷口檢驗(yàn)

將斷口放入掃描電鏡中觀(guān)察，斷口均含多個(gè)表面斷裂源，存在明顯環(huán)形的機(jī)加工痕跡，斷口外沿可見(jiàn)多個(gè)細(xì)小臺(tái)階，這是由于軸部與螺紋尾部過(guò)渡處R角太小造成應(yīng)力集中，而尖銳的機(jī)加工刀痕使應(yīng)力集中更嚴(yán)重，從而產(chǎn)生多源疲勞裂紋，隨著裂紋擴(kuò)展至彼此相連時(shí)，在不同平面間的連接處形成了疲勞臺(tái)階，疲勞臺(tái)階越多，表示應(yīng)力越大或其應(yīng)力集中程度越大。

裂紋源區(qū)放大后可見(jiàn)明顯疲勞輝紋，最后瞬斷區(qū)的斷口形貌呈河流花樣，出現(xiàn)脆性解理斷裂特征。

2.4 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀在低倍試樣上進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1，滿(mǎn)足GB 10051.1—1988中DG20鋼標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)成分。

表1 鋼的化學(xué)成分

2.5 硬度分析

在低倍試樣上進(jìn)行HBW硬度分析，從表面到心部取3個(gè)硬度測(cè)試點(diǎn)，測(cè)定值分別為109 HBW，108 HBW，109 HBW，試驗(yàn)結(jié)果表明從表面到心部硬度均勻一致無(wú)明顯差異。

2.6 金相檢驗(yàn)

從試樣表面到心部取2件金相樣品（金相圖略），其中表面樣品包含壓痕，編號(hào)為1#，心部樣品包含樣品中心位置，編號(hào)為2#，經(jīng)磨制、拋光、腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察可見(jiàn)，1#試樣縱向面非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果為A類(lèi)0.5級(jí)、B類(lèi)0級(jí)，C類(lèi)0級(jí)、D類(lèi)0.5級(jí)、DS類(lèi)0級(jí)，1#橫向試樣邊部無(wú)明顯脫碳層存在，壓痕周?chē)M織均勻一致無(wú)變形，基體組織為鐵素體+少量珠光體組織，但1#試樣存在較多不規(guī)則的柱狀晶粒。2#試樣晶粒相對(duì)均勻，基體組織為鐵素體+少量珠光體組織。吊鉤通常采用鍛造+熱處理的方式獲得正常等軸的鐵素體+珠光體組織，可提高吊鉤的強(qiáng)度，該吊鉤存在明顯柱狀晶組織，說(shuō)明該吊鉤的顯微組織主要為鑄造組織。

3 改造措施

改造后的吊環(huán)見(jiàn)圖3。

（1）取消原16 t吊鉤組和吊鉤橫梁，用吊環(huán)和軸代替，吊環(huán)選用長(zhǎng)吊環(huán)CH35，尺寸為 400 mm×120 mm×35 mm，額定載荷16.75 t，軸依據(jù)原安裝圖進(jìn)行設(shè)計(jì)選取軸徑100 mm，材料35CrMo，調(diào)質(zhì)后硬度為（269～341）HB。

（2）為使吊環(huán)定位，設(shè)計(jì)隔套，內(nèi)孔直徑100 mm，外徑120 mm，與吊環(huán)接觸處設(shè)計(jì)止擋，外徑160 mm，材料選用45#鋼。

（3）同時(shí)為避免吊環(huán)擺動(dòng)時(shí)造成軸的磨損，設(shè)計(jì)襯套，材料45#鋼。

（4）翻廢物槽或吊裝物品時(shí)，直接用相應(yīng)卸扣與吊環(huán)連接即可吊運(yùn)物體。

圖3 改造后的吊環(huán)

4 結(jié)論及效果

（1）吊鉤的雙疲勞斷裂為鉤尾軸螺紋跟部圓弧機(jī)加工痕及加工圓角小，吊鉤使用時(shí)歪斜、材料為鑄態(tài)組織共同作用的結(jié)果。

（2）加大吊鉤頸部直徑，原16 t吊鉤頸部最小直徑為68 mm，將其擴(kuò)大到78 mm，從而有效提高吊鉤靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。

（3）綜合檢驗(yàn)分析可知，吊鉤化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，低倍組織均勻，心部到中心部位的硬度均勻，非金屬夾雜物細(xì)小。低倍試樣上錠形偏析區(qū)存在局部變形，柱狀區(qū)的金相微觀(guān)組織為柱狀晶組織，說(shuō)明該吊鉤經(jīng)過(guò)微量變形，但主要為鑄造組織，降低了吊鉤的使用強(qiáng)度。

（4）由斷裂位置可知，鉤尾軸螺紋跟部圓弧處是橫截面積發(fā)生突變的部位，也就是應(yīng)力比較集中的地方，對(duì)圓角的設(shè)計(jì)、加工極為重要，圓角的設(shè)計(jì)加工過(guò)小或加工不符合設(shè)計(jì)要求，都有可能造成應(yīng)力集中，成為疲勞斷裂的起源。吊鉤在作業(yè)過(guò)程中，由于存在起吊傾斜角和吊運(yùn)時(shí)前后擺動(dòng)，使軸部?jī)蓚?cè)承受了拉、壓應(yīng)力，促使裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致了吊鉤發(fā)生了不對(duì)稱(chēng)的雙向彎曲疲勞斷裂。

（5）吊鉤凹槽處應(yīng)力集中，如果材料選擇不當(dāng)，強(qiáng)度級(jí)別偏低就容易導(dǎo)致吊鉤斷裂，吊鉤材料可選擇強(qiáng)度級(jí)別較高的T級(jí)別35CrMo，同時(shí)要求吊鉤在工作中嚴(yán)禁超載并且起吊要緩慢，避免產(chǎn)生沖擊載荷。

（6）取消原16 t吊鉤組和吊鉤橫梁，采用長(zhǎng)吊環(huán)的方式吊裝物品，可以完全避免吊鉤歪斜帶來(lái)的附加載荷而引起的吊鉤斷裂。改造后的吊環(huán)使用效果較好，未再發(fā)生類(lèi)似吊鉤的斷裂問(wèn)題。