中厚板軋機萬向聯軸器故障分析及解決措施

王紅巖， 張威， 王嘵峰， 漆德虎

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

0 引言

某廠一次在軋制某鋼種時中厚板軋機萬向聯軸器十字軸發生了斷裂，通過分析其斷裂原因，提出改進萬向聯軸器結構、加大十字軸規格以及改善軋制工藝等項措施，延長了設備壽命、降低備件消耗，確保設備優質、安全、高效穩定運行。

1 設備技術性能及工藝概述

1.1 設備技術性能

中厚板試驗軋機為四輥可逆式軋機，如圖1所示，主傳動系統主要由主電機、減速機、連接機、萬向聯軸器（如圖2所示）、工作輥等部分組成。主要技術參數見表1。

表1 主要技術參數

圖1 中厚板軋機主傳動系統示意圖

圖2 SWC-250C型萬向聯軸器示意圖

1.2 工藝狀況概述

軋機的主電機驅動減速機、連接機，再由連接機上下兩個輸出軸分別帶動萬向聯軸器，最后由萬向聯軸器驅動工作輥轉動完成可逆軋制過程。萬向聯軸器十字軸斷裂時軋制的鋼板溫度為950～1000℃，道次壓下量10mm，軋制力為643kN。

2 故障分析

2.1 理化檢測分析

2.1.1 斷口宏觀檢驗

斷裂十字軸是與上軋輥相連萬向聯軸器靠近連接機一側的十字軸，且兩側的對稱軸頭發生斷裂。十字軸頭第二個臺階凹角根部出現了較粗的機加工刀痕，由宏觀圖片3（a）可知，其根部過渡圓角較小，斷裂發生在此過渡部位，裂紋從過渡圓角根部萌生，并沿約45°角向側下方向擴展，而斷口的中部斷面與軸向逐漸趨于垂直。由圖3（b）可見，其中一個斷裂軸頭裂紋源區位于斷口邊部，為多源起裂；擴展區較為平整，呈半月形；瞬斷區面積較大，約為50%，有明顯的撕裂棱，呈現裂紋迅速擴展特征；整個斷口呈暗灰色，具有比較典型的疲勞斷裂特征，斷裂性質屬于疲勞斷裂。另一個軸頭的斷面基本垂直于軸向，呈現瞬間脆性斷裂特征。從上述分析可知，呈疲勞斷裂的軸頭首先發生斷裂，另一軸頭在較大的應力作用下發生瞬時脆性斷裂。

圖3 十字軸斷裂宏觀形貌

2.1.2 斷口微觀檢驗

從疲勞斷口的疲勞源區、擴展區、瞬斷區上分別截取檢驗試樣，置于QUANTA400型掃描電鏡內觀察，由圖4可見，裂紋源為多條臺階裂紋，在裂紋擴展區可見不明顯的疲勞輝紋，瞬斷區呈準解理花樣較為粗大，進一步證實了該失效十字軸為疲勞斷裂。

圖4 十字軸斷口微觀形貌

2.1.3 金相檢驗

從失效十字軸上截取金相分析試樣，經磨制、拋光后在光學顯微鏡下觀察。由圖5可見，基體上有大量單個分散或聚集分布的硫化物、氧化物及氮化物夾雜；并觀察到少量的疏松孔洞。

圖5 試樣基體拋光態形貌

試樣經4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察，由圖6可知，零件表面經過滲碳處理，滲碳層深度約為0.78 mm，滲碳層顯微組織為馬氏體，心部顯微組織為鐵素體+珠光體+馬氏體+貝氏體。

2.1.4 顯微硬度測定

從斷裂十字軸表面至心部進行顯微硬度測定，載荷1kg，加載時間15s，從距表面0.17mm處開始，每隔0.1mm距離測一點，共測定25點，測定總深度為2.57 mm，具體測定結果見圖7。參照JB/T7341.2-2006《十字軸式萬向聯軸器用十字包SWC型》中要求十字軸表面應進行滲碳處理，滲碳層深度為1.3～3.0 mm，表面硬度為58～62 HRC。

2.1.5 化學成分檢測

在失效十字軸上鉆取化學分析試樣進行測定，測定結果見表2，可知該十字軸化學成分符合GB/T3077-1999標準中20CrMnTi的成分要求。

圖6 基體顯微組織

圖7 十字軸表層至心部顯微硬度曲線

綜上所述，失效十字軸化學成分符合GB/T3077-1999標準中要求值；基體中有大量的夾雜物存在，并發現有少量的疏松孔洞存在；滲碳層深度約為0.78 mm，低于JB/T7341.2-2006標準中要求的1.3～3.0 mm，十字軸表面硬度符合標準要求值；十字軸的設計不合理，第二個臺階凹角根部過渡圓角小，加大了該處的應力集中，且根部出現了較粗的機加工刀痕，業已證實，在工件表面上垂直于主應力方向上的粗糙機加工刀痕和較小的過渡圓角均會產生應力集中現象，它常常會誘發疲勞裂紋萌生［2］。在交變應力作用下疲勞裂紋在該處萌生，隨后發生擴展，當裂紋擴展到十字軸頭剩余有效截面積不足以承受外載時便發生斷裂；當該十字軸頭斷裂后，萬向聯軸器傳遞的力矩集中在失效軸頭對面的軸頭上，使其處于過載狀態，發生瞬時脆性斷裂。通常情況下瞬斷區的面積不會過大，而該疲勞斷裂軸頭的瞬斷區面積較大，約為50%。這是因為十字軸基體中存在疏松孔洞、大量夾雜物及表面滲碳層深度過淺導致其強度下降，不僅促使裂紋迅速擴展，而且致使在較小的應力作用下產生較大面積的瞬斷區，大量夾雜物使其疲勞性能降低；另外，故障發生時實際軋制力（643 kN）為軋機允許最大軋制力（1500 kN）的42.8%，道次壓下量（10 mm）為軋機最大道次壓下量（24 mm）的41.7%，進一步判定十字軸的斷裂并不是過載所致。此外，萬向聯軸器公稱轉矩（71 kN·m）為軋機最大扭矩（120 kN·m）的59.1%，可見該萬向聯軸器的規格型號選擇偏小。

表2 化學成分分析結果%

3 解決措施

1）考慮到檢修萬向聯軸器方便，改變萬向聯軸器十字軸的裝配結構，并加大萬向聯軸器型號，將SWC-250C改為SWC-265D（如圖8所示），十字軸直徑由φ100 mm改為φ108 mm，加大軸頭根部圓弧半徑，減少應力集中，更改后的萬向聯軸器公稱轉矩為90 kN·m。

圖8 SWC-265D型萬向聯軸器示意圖

2）軋制前鋼板除鱗處理，以減少在軋制過程中因鋼板與軋輥之間打滑而激發的嚴重扭振，導致十字軸根部因過載而產生裂紋。

3）合理分配道次壓下量,減小鋼板上下表面溫差，改善板形，減小鋼板對軋輥及十字軸的沖擊載荷。

4）在低溫軋制時降低咬入速度或減小道次壓下量，有效降低咬入沖擊［3］。

4 結語

通過采取上述一系列改進措施，取得了滿意效果，新型萬向聯軸器安裝使用后至今未發生故障，確保了軋制工作的順利進行。

［1］ 王廷溥，齊克敏.金屬塑性加工-軋制理論與工藝［M］.北京：冶金工業出版社,2008.

［2］ 張德智.3500軋機輥端聯軸器改造及結構與強度分析［J］.鋼鐵研究學報，2011（增刊1）：123-128.

［3］ 呂智勇，王軼平.型鋼輥式矯直機十字軸扭斷事故原因分析及措施［C］//第七屆（2009）中國鋼鐵年會論文集.北京：冶金工業出版社，2009.