斗輪機輪斗軸斷裂成因分析及處理

徐吉嶺，龐琳亞

（徐州華潤電力有限公司，江蘇徐州 221142）

0 引言

01#輪斗軸為長春發電設備總廠生產，2010 年安裝投運。2017 年1 月3 日19 時46 分，大霧天氣，一值中班，01#斗輪機操作員和巡檢員準備啟動01#斗輪機加倉，懸臂皮帶啟動后，輪斗未轉，于是巡檢員進行仔細檢查，發現輪斗軸斷裂。斷裂位置在加工臺階處，斷裂處軸徑262 mm。

圖1 斷口宏觀照片

1 斷口宏觀形貌分析

斷裂位于加工臺階處（最大軸徑位置），斷口上分深黑色及黃色2 個區域：深色區域較為平坦光滑，為疲勞擴展區；黃色區域較為粗糙，有粗大的放射棱，為快速斷裂區（圖2）。加工臺階過渡R 處有較多的棘輪標記，為多裂紋源擴展匯集而成，說明此處應力集中程度較大（表現為多源特征）。

由圖2 斷口光學照片可見，該斷口為脆性斷口、疲勞斷裂，其特征為：①斷裂處很少或沒有宏觀塑性變形；②斷口平坦，斷口與應力方向垂直；③斷裂起源于變截面，表面缺陷和內部缺陷等應力集中部位。

圖2 斷口形貌

2 理化檢驗

2.1 化學成分分析

斷軸表面用ARL3460 臺式光譜儀對其作化學成分定量分析，在斷軸上制取成分分析試樣，分析結果見表1。輪斗軸成分符合45#鋼的設計要求。

2.2 力學性能檢驗

在斷軸外緣1/2 半徑處制取一組硬度試樣、拉伸試樣及沖擊試樣進行力學性能試驗，試驗結果見表2。依照JB/T 6397—2006《大型碳素結構鋼鍛件 技術條件》標準的要求，對于45#鋼調質態力學性能要求，其抗拉強度、沖擊吸收功均超標，沖擊韌性嚴重不足。

2.3 金相分析

在斷口附近外緣及心部各制取一只金相試樣，觀察縱截面顯微組織。非金屬夾雜物為A 類2 級（圖3）。心部顯微組織為珠光體+大量網狀鐵素體（圖4），外緣顯微組織為索氏體+極少量網狀鐵素體（圖5）。可見由于軸徑太大，正火時表面冷速較快，先共析鐵素體被抑制，形成較細密的索氏體組織，而心部冷速較慢，大量先共析鐵素體以網狀形式析出，導致其韌性較差、強度相對較低。

表1 元素成分 %

表2 力學性能結果

圖3 非金屬夾雜物形貌

圖4 心部縱向顯微組織

圖5 外緣橫截面顯微組織

3 綜合分析

由于不同類型載荷所造成的韌性斷裂其斷口特征不同，因此反過來可根據斷口宏、微觀特征來分析判定該輪斗軸所受載荷的類別：

拉伸載荷引起的韌性斷裂，宏觀斷口往往呈杯錐狀或呈45°切斷外形，斷裂處一般可見縮頸，斷口上有大面積的韌窩且大都呈等軸韌窩或呈輕微拉長韌窩。

扭轉載荷引起的韌性斷裂，宏觀斷口大都呈切斷型，微觀上是拉長韌窩，匹配面的韌窩拉長方向相反。

沖擊載荷引起的韌性斷裂，在宏觀上有沖擊載荷作用留下的痕跡，斷口周邊有不完整的45°唇口，微觀上呈撕裂拉長韌窩，匹配面上的韌窩拉長方向相同。

輪斗軸斷裂截面宏觀上符合沖擊載荷引起的韌性斷裂，裂紋起源于加工臺階過渡R 處外緣，該處應力集中程度較大。因此，下列因素之一均有可能引起金屬零件韌性斷裂失效：①零件所用材料強度不夠；②零件所承受的實際載荷超過原設計要求；③零件在使用中出現了非正常載荷；④零件存在偶然的材質或加工缺陷而引起應力集中，使其不能承受正常載荷而導致韌性斷裂失效；⑤零件存在不符合技術要求的鑄造、鍛造、焊接和熱處理等熱加工缺陷。

如果按照JB/T 6397—2006《大型碳素結構鋼鍛件技術條件》標準驗收，斗輪軸元素成分符合45#鋼的設計要求，但沖擊韌性極低。從顯微組織來看，該軸的熱處理狀態應為正火或正火+回火，心部冷卻速度相對較慢導致生成大量網狀鐵素體，對材料韌性有較大影響，硫化物夾雜達到2 級，對其韌性亦有一定影響。

從斷口形貌看，裂紋起源于加工臺階過渡R 處外緣，該處應力集中程度較大，導致具有棘輪標記的多源特征；經過一段時間的疲勞擴展后，形成月牙狀的平坦區域；疲勞擴展至1/2 半徑處（該處沖擊韌性非常低）時，在一個較大的沖擊載荷下發生快速斷裂，形成粗大放射棱的粗糙斷裂區。

4 結論及建議

綜上所述，輪斗軸斷裂的內因是韌性過低，這可能與內部大量網狀鐵素體有關；外因是工作時受到一個較大的動載荷（沖擊載荷）作用。

進一步分析外因：斷裂的直接原因可能是斗輪機懸臂抬至最高處堆料，在大車行走過程中，30 m 長的懸臂的抖動，帶動輪斗晃動，輪斗受其自重的力的作用（自重及附件大于5 t），且在斷口面早已形成疲勞擴展區的情況下，急速脆性斷裂。

形成斷口疲勞擴展區的可能原因有：01#斗輪機長期取用1#煤場汽車煤，煤層較硬，輪斗阻力增大，輪斗軸扭力增大，長時間超負荷運行，輪斗軸長期疲勞。因此建議做好以下5 個方面的工作。

（1）定期檢查、維護、試驗過力矩護保護裝置和防撞裝置，并做好記錄。

（2）做好斗輪機檢查維護，并加強動靜態巡視。

（3）特殊天氣（如濃霧、暴雨等天氣），發電部應制定在此中天氣狀況下斗輪機運行的安全技術措施及組織措施，保證斗輪機安全穩定運行。

（4）取料操作時，斗輪的吃煤厚度與深度應當保持適中，盡量保證取料均勻，防止超負荷取料。

（5）增加輪斗過電流報警裝置，增加輪斗部位的照明和監控。