200噸鑄造起重機花鍵軸斷裂原因分析

虞 強,譚 軍,劉國江

(攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司提釩煉鋼廠,四川攀枝花617000)

200噸鑄造起重機花鍵軸斷裂原因分析

虞 強,譚 軍,劉國江

(攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司提釩煉鋼廠,四川攀枝花617000)

通過對200噸鑄造起重機走行機構萬向聯軸器的強度驗算、斷裂花鍵軸的宏觀形貌、金相組織、形狀尺寸和硬度的測試與分析,確定了花鍵軸斷裂的原因。采取了更換廠家、增設檢修平臺和規范安裝維護等安全措施,實施后提高了設備安全可靠性。

鑄造起重機;花鍵軸;斷裂;原因分析

1 引言

200t鑄造起重機是我廠關鍵設備之一。1號方坯連鑄機鋼水接收跨2號200t起重機2003年12月底投入生產以來,走行機構萬向聯軸器多次出現突然斷裂,引發萬向聯軸器花鍵軸高空墜落險肇事故。

2013年12月17日23時43分左右,一方接收2號200t起重機空載運行至一號方坯連鑄機2號轉盤上方時,走行東北角萬向聯軸器的花鍵軸掉落至零米地面上,重約10kg,墜落高度30m,給地面行走職工人身安全帶來極大威脅,圖1為斷裂事故現場。

圖1 斷裂現場

為了分析萬向聯軸器墜落事故原因,杜絕事故再次發生,保證設備安全運行,對走行萬向聯軸器強度進行驗算,斷裂的花鍵軸宏觀形貌和斷口進行觀察分析,對花鍵軸的金相組織、形狀尺寸及硬度進行測試。

2 萬向聯軸器驗算

2.1 主要技術參數

圖2為200t鑄造起重機走行機構傳動系統簡圖,電機額定功率N=38k W,電機轉速n電=728r/min,減速機速比i=20,車輪直徑d為710mm,最大輪壓575k N,萬向聯軸器型號為SWF285F-2×800,最大允許靜轉矩Tm=51k N·m,允許對稱疲勞轉矩Tf= 29k N·m。根據手冊[1-2],驗算如下。

圖2 走行機構傳動圖

2.2 靜強度驗算

計算轉矩Tc

式中:u—滑動摩擦系數(0.15-0.2),取0.2;d—車輪直徑(m),為0.71m;∑P max—若一根聯軸器驅動一個車輪,即為該車輪的最大輪壓(k N),為575k N。

Tc≤Tm,靜強度滿足要求。

2.3 疲勞強度驗算

聯軸器轉速n

計算轉矩Tc

式中:K3—電機頻繁過載系數(工作級別≥M6,取1.8);N—電機額定功率(k W); n—聯軸器轉速(r/min)。

Tc≤Tf,疲勞強度滿足要求。

3 外觀檢查

花鍵軸斷裂位置如圖3所示,斷裂發生在軸身與花鍵段的過渡處。斷口面雖已經嚴重磨損,但顯示一圈未焊的圓形痕跡。圓形痕跡距軸頸表面大約12mm。斷裂起源于圓形痕跡的外側,圖4顯示尚未磨損的斷裂起源點。

花鍵齒寬窄不一。圖5示花鍵端面的外貌,標尺“1cm”正對的一個花鍵齒最小,只有11mm,其余花鍵齒的寬度在14mm～14.3mm范圍不等。花鍵齒齒面存在部分磨損,圖5中用黑線標識的對應齒面有相當長度被磨損,而另一段沒有磨損,說明花鍵軸在系統中對中不良。從圖6還可看出,齒間有加工溝槽。

4 金相組織及硬度檢查

通過斷裂源區切取的金相試樣,拋光浸蝕,顯微鏡觀察[3]發現焊道下裂紋,如圖7a,說明修復焊的工藝不當。表面堆焊層組織為定向凝固的柱狀晶,而熱影響區組織為馬氏體或馬氏體+貝氏體的混合組織,見圖7b,說明焊前沒有預熱,焊后又沒有熱處理。

對于42Cr Mo鋼,含碳量和合金含量都較高,淬透性好[4],在焊接過程中必須嚴格控制冷卻速度,才能避免淬火組織和熱影響區開裂。

從花鍵軸上切取橫向試樣,從花鍵齒至內部測定布氏硬度[5]見表1,結果為(186HB -252HB),不能滿足技術要求(285HB～321HB)。

圖3 花鍵軸斷口形態

圖4 尚未磨損的斷裂源

圖5 花鍵軸自由端面外貌

圖6 齒間加工溝槽圖

圖7 a 熱影響區和焊補層的裂紋

圖7 b 熱影響區的組織和裂紋圖

表1 硬度檢驗結果

5 改進措施

(1)在萬向聯軸器下方增設檢修平臺,便于日常對萬向聯軸器的檢查,同時避免萬向聯軸器斷裂后的高空墜落。

(2)對在用的萬向聯軸器進行無損檢測,以確定是否存在裂紋。

(3)將萬向聯軸器的花鍵軸安裝在沖擊載荷相對較低的減速機端,降低振動載荷對花鍵軸的影響。

(4)選取質量可靠的廠家,提高萬向聯軸器備件質量的可靠性。

6 結論

(1)通過以上驗算和分析,設計的萬向聯軸器強度滿足實際工作要求。

(2)使用中的花鍵齒加工質量低劣,會造成振動載荷。花鍵軸變形或在系統中不對中,造成偏磨,同時不能均勻承載載荷。

(3)補焊層組織為定向凝固的柱狀晶,熱影響區出現馬氏體,說明焊前沒有預熱,焊后又沒熱處理,因此產生焊接裂紋。如果焊條沒有烘烤,會加劇焊道下產生冷裂紋的傾向。焊接裂紋在使用中擴展,最終造成花鍵軸斷裂。

(4)通過按照改進措施實施后,提高了設備安全可靠性,保證了設備的安全運行,避免了萬向聯軸器高空墜落事故發生。

[1] 徐灝.機械設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2000:69.

[2] 張質文,虞和謙,王金諾,等.起重機設計手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1998:22-32.

[3] 張棟,鐘培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:國防工業出版社,2004:136-141.

[4] 陳國民.齒輪材料和熱處理[M].鄭州機械研究所,2004:38-48.

[5] 韓德偉.金屬硬度檢測技術手冊[M].長沙:中南大學出版社,2003:7-38.

The Analysis about Cause of 200 Tons Casting Crane’s Spline Shaft Fractured

YU Qiang,TAN Jun,LIU Guo-jiang
(Panzhihua Steel Group Panzhihua Steel Vanadium Co.,Panzhihua 617000,Sichuan,China)

The cause of spline shaft fractured was confirmed,according to test and analyze it, which 200t ladle crane traveling agency universal coupling strength checking,macro-spline shaft fracture morphology,microstructure and the shape and size and hardness.The safety and reliability of the device was improved by taking safety measures about replacing the factory and putting up maintenance platforms and regulating installation maintenance.

casting crane;spling shaft;fracture;cause analysis

TH218

:A

1001-5108(2015)03-0065-04

虞強,工程師,主要從事起重機設備點檢管理工作。