倪守領(lǐng)， 陳 征， 竇金忠， 潘春雷， 岳德國， 王榮波， 王丙軍

(1.日照鋼鐵有限公司，山東 日照 276800；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；3.金隅天壇(唐山)木業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063000)

橋架型起重機又名天車，是工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的大型運輸及吊裝設(shè)備，天車在包括鋼鐵冶煉在內(nèi)的多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于天車較高的安裝位置和其特殊的工作性質(zhì)，決定了天車的運行狀況對企業(yè)安全生產(chǎn)有著至關(guān)重要的影響。近年來由人員操作不規(guī)范、設(shè)備突發(fā)故障、維修管理不及時等原因?qū)е碌奶燔囀鹿蕦乙姴货r。天車事故輕則導(dǎo)致工廠停工、貽誤工期，重則導(dǎo)致人員傷亡、設(shè)備損壞，產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟損失。

天車主要由升降機構(gòu)、行走機構(gòu)和操作系統(tǒng)三大部分組成，其中主鉤減速機是升降機構(gòu)最重要的工作部件，主鉤減速機的工作狀態(tài)直接影響了整個天車的工作能力，是天車運行能力評估和日常維護的重中之重。主鉤減速機中的高速軸是其工作時重要扭矩傳遞部件，對高速軸故障的深入研究有利于了解整個減速機的運行狀態(tài)，也能直接對后期的天車設(shè)備維護給出建議，進而減少企業(yè)出現(xiàn)經(jīng)濟損失和人員傷亡的幾率，具有重要的現(xiàn)實意義。

高速軸大都在動載荷及各種交變應(yīng)力作用下工作，所選用材料要求具備良好的力學(xué)性能，目前國內(nèi)外對此類高速軸斷裂分析主要從形貌(斷面處)、受力及強度分析、金相成分組成、使用工況等方面開展研究分析，確定斷裂失效原因并提出改善建議[3，10，11]。

1 故障概況

某鋼廠生產(chǎn)車間加熱爐跨1#天車在上料過程中發(fā)生主鉤減速機傳動軸斷裂失效事故，據(jù)事故后統(tǒng)計此故障累計影響生產(chǎn)時間60 min。依據(jù)工廠的安全生產(chǎn)條例，在故障發(fā)生后需查詢該設(shè)備的履歷臺賬，得知此天車吊鉤傳動系統(tǒng)上線服役僅滿一年，還遠未達到失效的時限。

天車屬于特種設(shè)備，其運行狀態(tài)對工業(yè)生產(chǎn)及人員安全有重大影響。而該天車傳動軸在服役期內(nèi)失效，為保證后續(xù)的生產(chǎn)活動能安全進行，需減少類似事故發(fā)生。

2 失效分析

本文將主要從形貌分析、強度計算、材料金相，設(shè)備潤滑四方面對該傳動軸的失效進行分析。

2.1 形貌分析

傳動軸斷裂形貌如圖1所示，傳動軸斷面形貌如圖2所示。

由圖1傳動軸斷裂形貌可得斷面與軸線夾角約45°，屬于典型的扭斷形貌且與傳動軸受力狀態(tài)相符合。同時可知斷面為典型的金屬疲勞斷面，有著較為明顯的裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)，由圖2可清晰見得裂紋源位于鍵槽與斷面的結(jié)合處[1，2，5，6，7]。

圖1 傳動軸斷裂形貌

圖2 傳動軸斷面形貌

結(jié)合圖1及圖2可分析知傳動軸失效的大致過程：首先傳動軸在使用過程中，因疲勞產(chǎn)生裂紋并擴展加劇，沿擴展區(qū)1方向進行，由于軸承受的扭矩及軸外側(cè)應(yīng)力較大，疲勞裂紋進而達到擴展區(qū)2后，再由外向內(nèi)擴展，隨著裂紋長度的加劇，傳動軸強度降低至極限，軸扭斷失效。

2.2 強度計算

2.2.1 成分分析

對失效軸取樣，進行光譜分析以確定軸的材質(zhì)[2，12]，從而確定材料特性，結(jié)果見表1。

表1 成分比對表

通過成分對比分析知：傳動軸材質(zhì)為45#鋼，其典型抗拉強度為600 MPa，屈服強度為400 MPa，調(diào)質(zhì)處理后零件具有良好的綜合機械性能，廣泛應(yīng)用于交變負荷下工作軸類，因此從機械性能上材質(zhì)滿足選型要求。

2.2.2 受力計算

為驗證軸失效是否因強度不足，對其進行強度校核[13]。傳動軸計算參數(shù)見表2，尺寸參數(shù)如圖3所示。

表2 傳動軸計算參數(shù)

圖3 傳動軸尺寸參數(shù)

計算過程：鍵槽軸徑D1切應(yīng)力：

(1)

軸徑D2切應(yīng)力：

(2)

由于τ1<[τ]和τ2<[τ]，所以軸徑切強度滿足使用要求。

2.2.3 有限元分析

對傳動軸進行有限元分析以確定鍵槽處及軸的應(yīng)力狀態(tài)。分析結(jié)果如圖4～5所示。

圖4 傳動軸最大切應(yīng)力分布云圖

圖5 傳動軸等效應(yīng)力分布云圖

由圖5知：兩處軸徑的最大切應(yīng)力值與理論計算吻合，傳動軸最大切應(yīng)力發(fā)生在鍵槽處，且最大切應(yīng)力為55.8 MPa，小于許用切應(yīng)力強度；由圖5知：傳動軸最大等效應(yīng)力發(fā)生在鍵槽處，且最大應(yīng)力值為96.75 MPa，小于材料屈服強度。

2.3 金相分析

通過金相分析可以確定材料熱處理后組織狀態(tài)，從而判斷材料力學(xué)性能。傳動軸金相組織(200倍)如圖6所示，傳動軸金相組織(500倍)如圖7所示，中碳鋼調(diào)質(zhì)后I級金相組織(500倍)如圖8所示。

圖6 傳動軸金相組織(200倍)

圖7 傳動軸金相組織(500倍)

圖8 中碳鋼調(diào)質(zhì)后I級金相組織(500倍)

由圖6和圖7可知：斷軸的基體組織為網(wǎng)格鐵素體+珠光體，網(wǎng)狀鐵素體是一種常見的不利于鋼材力學(xué)性能的金相組織，網(wǎng)狀鐵素體會嚴重割裂和珠光體之間的聯(lián)系，使鋼的強度尤其是屈服強度低于正常值，導(dǎo)致塑性隨之降低，易萌生裂紋源，極易變形斷裂。組織網(wǎng)格鐵素體的成因主要是淬火冷卻不足或冷卻緩慢，在馬氏體晶界區(qū)形成網(wǎng)狀鐵素體，高溫回火后仍保留在索氏體組織中。

參考GB/T 13320-2007(鋼質(zhì)模鍛件金相組織評級圖及評定方法)，本樣件金相組織登記為8級，即最低級；金相組織I級的參考樣本如圖8所示，可見其均勻細小的保持馬氏體的回火索氏體。工件在淬火后如能得到單一馬氏體或馬氏體及下貝氏體組織時，在高溫回火后便可得到均勻的回火索氏體組織，并能保證良好的綜合力學(xué)性能。

可見該傳動軸的熱處理工藝較差是其失效斷裂的主要原因。

2.4 潤滑分析

在潤滑分析時，發(fā)現(xiàn)傳動軸一側(cè)的聯(lián)軸器鼓形齒及齒套存在嚴重的潤滑不良現(xiàn)象，鼓形齒磨損如圖9所示。主要表現(xiàn)為：鼓形齒出現(xiàn)嚴重磨損，磨損量約為齒厚的1/2；齒套內(nèi)油脂已經(jīng)碳化，齒面上沒有潤滑脂，導(dǎo)致聯(lián)軸器受力異常，工作負荷加大，此現(xiàn)象說明聯(lián)軸器潤滑管理工作極不到位。齒套潤滑不良如圖10所示。

圖9 鼓形齒磨損

圖10 齒套潤滑不良

3 結(jié)論及改進措施

通過對傳動軸失效事故的分析，得出分析結(jié)論及下一步改進措施。

3.1 結(jié)論

(1)軸失效形式為扭斷失效；斷面為疲勞斷面，裂紋源為鍵槽與斷面結(jié)合處，裂紋擴展方向為由裂紋源向外，然后再由外向內(nèi)擴展，最終因受力面強度不足失效[4，8，9]；

(2)軸材質(zhì)為45#鋼，軸的最大切應(yīng)力值為55.8 MPa，最大等效強度值為96.75 MPa，均低于材料強度理論值，說明軸的設(shè)計滿足強度要求[7]；

(3)傳動軸失效的直接原因為疲勞斷裂，軸基體組織為網(wǎng)格鐵素體+珠光體，金相組織較差(8級)；由于網(wǎng)格鐵素體的存在，影響了傳動軸的強度及性能，導(dǎo)致在使用中過早的產(chǎn)生了疲勞裂紋，是此次故障發(fā)生的主要原因。

(4)傳動軸聯(lián)軸器潤滑不良，存在嚴重的磨齒現(xiàn)象，導(dǎo)致傳動軸受力異常，加劇了疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴散，是此次故障發(fā)生的次要原因。

3.2 改進措施

(1)嚴格管控高速軸鍵槽的加工精度及質(zhì)量，對于槽底的圓角半徑r，符合工況的情況下按標(biāo)準取大值，不使用無圓角的鍵槽，同時提高表面、R角處的加工質(zhì)量，降低表面粗糙度[14，16]。

(2)高速軸調(diào)質(zhì)處理后，增加中頻淬火的熱處理工序，嚴格控制加熱時間及頻率，改善金相組織，提高其抗疲勞性能[15]。

(3)高速軸出廠前進行探傷，以確定傳動軸是否含有裂紋，采用保護性運輸和安裝，避免裂紋隱患的產(chǎn)生。

(4)設(shè)計安裝時控制高速軸各軸線同軸，運行一段時間后，定期點檢校準同軸度，出現(xiàn)偏差后及時調(diào)整[17]。

(5)建議加強潤滑管理，避免聯(lián)軸器因潤滑不良，造成受力異常。