龍劍群

重載萬向聯(lián)軸器法蘭叉頭開裂失效分析及對(duì)策

龍劍群

（寶鋼湛江鋼鐵有限公司，廣東 湛江 524072）

針對(duì)重載萬向聯(lián)軸器法蘭叉頭開裂故障，通過對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造和使用工況進(jìn)行勘察，復(fù)核了法蘭叉頭在極限扭矩工況下的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，通過對(duì)重載萬向聯(lián)軸器進(jìn)行解體分析，以及對(duì)聯(lián)軸器剖分軸承座聯(lián)結(jié)螺栓預(yù)緊狀態(tài)和緊固狀態(tài)有限元分析，得出了在重載傳動(dòng)系統(tǒng)中使用的SWP型剖分軸承座十字軸式萬向聯(lián)軸器，容易在剖分軸承座連接螺紋副底部因應(yīng)力幅值大而產(chǎn)生疲勞裂紋，造成重載萬向聯(lián)軸器法蘭叉頭開裂，提出了相應(yīng)的對(duì)策建議。

萬向聯(lián)軸器；叉頭裂紋；故障分析

重載萬向聯(lián)軸器是冶金、石化、船舶、礦山等領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)備中的關(guān)鍵傳動(dòng)部件，是重載機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的核心組成部件，其中，十字軸式萬向聯(lián)軸器因傳動(dòng)扭矩大、效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊及具有較大的角度補(bǔ)償能力等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[1]。

寶鋼湛江東山基地4200 mm厚板粗軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)備件國產(chǎn)化后，重載萬向聯(lián)軸器接連出現(xiàn)法蘭叉頭開裂，嚴(yán)重影響設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和機(jī)組生產(chǎn)節(jié)奏。為了降低因叉頭開裂造成設(shè)備停機(jī)所造成的經(jīng)濟(jì)損失，提高重載萬向聯(lián)軸器使用壽命，研究分析引起叉頭開裂的主要原因，對(duì)提高設(shè)備使用壽命和維護(hù)水平尤為重要[2]。

1 設(shè)備勘察

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)勘察

4200 mm厚板可逆粗軋機(jī)[3]主傳動(dòng)系統(tǒng)重載萬向聯(lián)軸器，采用SWP型剖分軸承座十字軸式，運(yùn)行在頻繁正反轉(zhuǎn)且承受交變載荷工況下，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 重載萬向聯(lián)軸器技術(shù)參數(shù)

聯(lián)軸器法蘭叉頭材質(zhì)為30Cr2Ni4MoV，機(jī)械性能最低應(yīng)滿足抗拉強(qiáng)度R≥1080 MPa，在忽略制造裝配誤差及聯(lián)軸器本體細(xì)小部位的假設(shè)情況下，法蘭叉頭在極限扭矩8000 kN·m工況下危險(xiǎn)截面和軸承孔的最大應(yīng)力為295 MPa和334 MPa。為盡可能全面分析聯(lián)軸器實(shí)際應(yīng)力變化，在適當(dāng)考慮聯(lián)軸器本體細(xì)小部位情況下，通過有限元分析計(jì)算，模擬法蘭叉頭在極限扭矩8000 kN·m工況下，軸承孔底部和叉頭45°斜面型腔底部R角部位出現(xiàn)最大應(yīng)力，如圖1所示，軸承孔、R角部位的最大等效應(yīng)力值分別為478 MPa、373.4 MPa，均小于材料屈服極限（σ≥900 MPa），軸承孔、R角部位的安全系數(shù)分別為1.88、2.41。對(duì)法蘭叉頭查勘復(fù)核，其靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均能夠滿足使用要求。

1.2 加工制造勘察

通過勘察三個(gè)已發(fā)現(xiàn)叉頭開裂問題的重載萬向聯(lián)軸器（A、B和C）質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告，其中A、B材料化學(xué)成分、機(jī)械性能、晶粒度、非金屬夾雜物、UT/MT探傷、金相實(shí)驗(yàn)等均滿足要求，螺紋加工精度和深度等抽檢合格，螺栓預(yù)緊方案及預(yù)緊力驗(yàn)證合格。由于法蘭叉頭聯(lián)結(jié)螺紋采用旋風(fēng)銑加工工藝[4-5]，可排除采用該加工工藝造成缺陷的可能性。

C上機(jī)僅3個(gè)月即下線，使用壽命明顯比A、B（約使用13個(gè)月）短，單獨(dú)對(duì)C的生產(chǎn)制造情況排查，結(jié)果表明，C的法蘭叉頭材料性能、螺紋加工、螺栓預(yù)緊等方面雖未發(fā)現(xiàn)與裂紋直接相關(guān)不合格項(xiàng)，但根據(jù)法蘭叉頭機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果（表2）表明，C的機(jī)械性能遠(yuǎn)低于A、B。進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)C主要存在以下問題：①毛坯多次調(diào)質(zhì)處理，材料內(nèi)部殘余應(yīng)力偏大[6]；②毛坯未開型腔調(diào)質(zhì)，材料屈服和沖擊功等低于其他件；③修復(fù)時(shí)由于個(gè)別螺紋研死、部分螺紋止規(guī)通過，修復(fù)時(shí)將其中10個(gè)螺栓孔M60×3擴(kuò)孔為M64×3處理，且存在反復(fù)多次預(yù)緊。以上問題應(yīng)在萬向聯(lián)軸器加工制造中堅(jiān)決杜絕，并可作為其他重工機(jī)械萬向聯(lián)軸器設(shè)備驗(yàn)收、A檢中重點(diǎn)抽查參考內(nèi)容。

圖1 極限扭矩下法蘭叉頭應(yīng)力分布

表2 法蘭叉頭機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果

注：1.試驗(yàn)溫度：18℃；2.試驗(yàn)儀器：PTM2302-D1型沖擊試驗(yàn)機(jī)、WDW-300C型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)； 3.檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 228.1－2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分室溫試驗(yàn)方法》、GB/T 229－2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》。

1.3 使用工況勘察

4200 mm厚板粗軋機(jī)主要生產(chǎn)Q345普碳鋼，軋制產(chǎn)量逐漸提升至200萬噸/年，軋制節(jié)奏較快，由于粗軋機(jī)HGC設(shè)置有過載保護(hù)，主傳動(dòng)電機(jī)按照設(shè)計(jì)切斷扭矩值4300 kN·m進(jìn)行主傳動(dòng)系統(tǒng)扭矩限制，并未發(fā)生異常生產(chǎn)事故。根據(jù)可逆粗軋機(jī)的工藝特點(diǎn)，重載萬向聯(lián)軸器正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，主要承受扭矩與沖擊，工作環(huán)境及潤滑情況良好。

2 拆解分析

2.1 拆解前檢驗(yàn)分析

由于C本身加工制造存在缺陷，故選擇拆解A、B作為分析對(duì)象。

（1）最大傾角

檢查A、B重載萬向聯(lián)軸器四個(gè)方向偏轉(zhuǎn)情況，萬向節(jié)最大偏轉(zhuǎn)角度均＞6°，滿足最大工作傾角∠最大工作＝4.8°及最大許用傾角∠最大許用＝6°的設(shè)計(jì)要求。

（2）開裂情況

從外觀上看，A、B重載萬向聯(lián)軸器法蘭叉頭開裂方向與軸線垂直，沿叉頭圓周橫向擴(kuò)展，A、B法蘭叉頭內(nèi)螺紋孔與聯(lián)結(jié)螺栓端部結(jié)合處均存在裂紋，其中A的裂紋最長約300 mm、B的裂紋最長約200 mm。A、B法蘭叉頭裂紋位置、方向基本一致，其基本形貌如圖2所示。

圖2 法蘭叉頭裂紋示意圖

（3）材料質(zhì)量

對(duì)A、B法蘭叉頭靠近裂紋處取試做化學(xué)成分、晶粒度和機(jī)械性能檢測(cè)。其中，化學(xué)成分及晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示，A、B化學(xué)成分均在標(biāo)準(zhǔn)范圍，晶粒度按照GB/T 6394－2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定檢驗(yàn)，結(jié)果均為7.5級(jí)，滿足不低于5級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)要求；機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果與加工制造勘察階段的檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)基本一致，可參考表2中A、B檢測(cè)數(shù)據(jù)。通過對(duì)A、B法蘭叉頭靠近裂紋處取試，檢測(cè)結(jié)果與原制造環(huán)節(jié)的檢測(cè)報(bào)告基本吻合，無明顯異常。

表3 法蘭叉頭靠近開裂處材料化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 拆解后檢驗(yàn)分析

（1）磨損干涉

檢查A、B法蘭叉頭與軸承壓蓋、螺栓接觸情況，均未發(fā)現(xiàn)撞擊及干涉摩擦痕跡；檢查十字包軸承密封件使用狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)明顯變形、老化及磨損情況；檢查連接板與兩側(cè)防水環(huán)裝配情況，無明顯干涉和磨損；檢查十字軸軸頸、軸承滾動(dòng)體磨損情況，其中A、B均存在一軸頸表面剝落、有明顯壓痕，B的多個(gè)軸頸、滾動(dòng)體表面存在明顯凹坑。

（2）裂紋解剖

由于A的法蘭叉頭裂紋最大長度大于B，應(yīng)用電火花線切割技術(shù)[7]，選擇將A中裂紋較長的法蘭叉頭沿靠近外側(cè)兩顆聯(lián)結(jié)螺栓孔中心線切開，對(duì)叉頭螺紋孔及剖切面采用PT滲透探傷，斷口形貌如圖3所示，可見，剖切面可見裂紋貫穿叉頭靠外側(cè)的內(nèi)螺紋齒根部位，裂紋基本沿橫向擴(kuò)展，貫穿聯(lián)結(jié)螺栓內(nèi)螺紋孔齒根部及螺栓孔底部中心位置，裂紋所貫穿的螺紋孔處剛好位于聯(lián)結(jié)螺栓端部附近，多起法蘭叉頭開裂均將裂紋源指向該處。

（3）應(yīng)力分析

對(duì)螺栓預(yù)緊狀態(tài)和緊固狀態(tài)下的工況有限元分析，如圖4所示，可見：預(yù)緊狀態(tài)下，靠近聯(lián)結(jié)螺栓光桿的螺紋承受較大預(yù)緊力，聯(lián)結(jié)螺栓光桿上端部螺紋應(yīng)力在838～915 MPa變化，大于螺栓孔底部（即聯(lián)結(jié)螺栓端部結(jié)合處）內(nèi)螺紋應(yīng)力變化（607～838 MPa）；緊固狀態(tài)并傳遞扭矩時(shí)，軸向力逐漸隨扭矩變化而逐漸增加，靠近螺紋孔底部螺紋應(yīng)力逐漸增高，應(yīng)力圖譜顯示在806～954 MPa變化，實(shí)際工作中隨著扭矩變化與負(fù)載沖擊，法蘭叉頭聯(lián)結(jié)螺栓螺紋孔底部應(yīng)力幅值波動(dòng)已接近甚至可能突破聯(lián)軸器叉頭30Cr2Ni4MoV材料許用疲勞應(yīng)力900 MPa。因強(qiáng)度較低且發(fā)生塑變后產(chǎn)生細(xì)小裂紋[8]，容易在聯(lián)結(jié)螺栓螺紋孔底部應(yīng)力高且幅值變化較大的區(qū)域形成疲勞裂紋源。

圖3 法蘭叉頭聯(lián)結(jié)螺栓螺紋孔底部裂紋

圖4 極限扭矩下法蘭叉頭應(yīng)力分布

3 原因分析

4200 mm厚板粗軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)重載萬向聯(lián)軸器在承受較大沖擊載荷、快節(jié)奏的軋制工況下，受該類萬向節(jié)本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制，叉頭螺紋副底部在1年左右出現(xiàn)疲勞裂紋。綜合以上對(duì)A、B和C三件重載萬向聯(lián)軸器的勘查分析，得出法蘭叉頭產(chǎn)生裂紋的原因：

SWP型十字萬向接軸法蘭叉頭從軸承孔中心平面剖開，并采用高強(qiáng)度螺栓將法蘭叉頭和軸承壓蓋緊固成整體，在叉頭孔中安裝十字包；在壓蓋聯(lián)結(jié)螺栓和法蘭叉頭螺紋孔處為薄弱環(huán)節(jié)，其在承受大預(yù)緊力矩和工況扭矩產(chǎn)生的較大軸向力時(shí)，壓蓋聯(lián)結(jié)螺栓和法蘭叉頭螺紋存在較大的應(yīng)力值和應(yīng)力幅值，疲勞裂紋產(chǎn)生后，引起螺栓斷裂和法蘭叉頭裂紋。

4 對(duì)策建議

針對(duì)SWP型重載萬向聯(lián)軸器法蘭叉頭開裂的問題，分別從設(shè)計(jì)、加工制造和使用維護(hù)角度，提出改進(jìn)對(duì)策如下：

（1）設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分掌握和挖掘先進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析技術(shù)[9-10]，特別是在金屬材料、機(jī)械性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的優(yōu)化與突破。

（2）加工制造中，應(yīng)當(dāng)充分保證制造件質(zhì)量，認(rèn)真檢驗(yàn)機(jī)械性能。鑒于回轉(zhuǎn)直徑1100 mm、設(shè)計(jì)極限扭矩極限＝8000 kN·m，且采用SWP型剖分軸承座十字軸式的重載萬向聯(lián)軸器，建議法蘭叉頭機(jī)械性能最低要求應(yīng)滿足抗拉強(qiáng)度R≥1080 MPa，屈服強(qiáng)度R0.2≥900 MPa，斷面收縮率≥55%，斷后伸長率5≥15%，在保證以上技術(shù)參數(shù)要求同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有金屬熱加工制造能力，建議提高沖擊韌性指標(biāo)，U形缺口沖擊功A2不應(yīng)低于170 J。

此外，特別針對(duì)聯(lián)結(jié)螺栓螺紋孔使用中易疲勞開裂的情況，在加工制造中應(yīng)保證螺紋加工精度，裝配后出廠前還應(yīng)對(duì)法蘭叉頭表面進(jìn)行MT探傷。

（3）使用維護(hù)上，應(yīng)當(dāng)充分利用日常生產(chǎn)停機(jī)機(jī)會(huì)，對(duì)重載萬向聯(lián)軸器法蘭叉頭進(jìn)行定期無損探傷，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。

5 結(jié)論

通過對(duì)重載萬向聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造和使用工況進(jìn)行勘察，復(fù)核了萬向聯(lián)軸器法蘭叉頭在設(shè)計(jì)、加工制造和使用各環(huán)節(jié)的具體情況；通過解體檢查，對(duì)重載萬向聯(lián)軸器法蘭叉頭開裂形貌進(jìn)行了分析，對(duì)法蘭叉頭應(yīng)力、聯(lián)結(jié)螺栓根部與螺紋孔應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析，得出了在重載傳動(dòng)系統(tǒng)中使用的SWP型剖分軸承座十字軸式萬向聯(lián)軸器，在壓蓋聯(lián)結(jié)螺栓和法蘭叉頭螺紋孔處為薄弱環(huán)節(jié)，壓蓋聯(lián)結(jié)螺栓和法蘭叉頭螺紋存在較大的應(yīng)力值和應(yīng)力幅值，容易產(chǎn)生疲勞裂紋，最終造成重載萬向聯(lián)軸器法蘭叉頭開裂。通過對(duì)重載萬向聯(lián)軸器法蘭叉頭開裂分析，對(duì)于長期在交變重載、沖擊環(huán)境使用的萬向聯(lián)軸器，在設(shè)計(jì)、加工制造和使用維護(hù)上提供一定參考意義。

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Failure Analysis and Countermeasure Proposal on Heavy-Duty Universal Coupling’s Flange Fork Head Cracking

LONG Jianqun

( Baosteel Zhanjiang Iron&Steel Co.,Ltd., Zhanjiang 524072, China)

Aiming at the failure which causes the fork head cracking of heavy-duty universal coupling, this paper studies the cause of the failure from several aspects. Through the investigation of physical design, processing and manufacturing and working conditions on universal coupling, the static strength and fatigue strength of flange fork head under ultimate torque condition are re-checked. And through the disassembly analysis of the heavy-duty universal coupling and the finite element analysis of the pre-tightening state and fastening state of the coupling bolt of the split-bearing seat, it is concluded that the SWP type cross-shaft universal coupling used in the heavy-duty transmission system is easy to generate fatigue crack at the bottom of the coupling thread pair of the split-bearing seat due to the large stress amplitude, which eventually leads to the flange fork crack of the heavy-duty universal coupling.

universal coupling；fork head crack；malfunction analysis

TH133.4；TF31

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.11.012

1006－0316 (2020) 11－0076－05

2020－06－16

龍劍群（1991－），男，江西鷹潭人，碩士，主要從事冶金機(jī)械設(shè)備技術(shù)工作，E-mail：j0102j@163.com。