磁盤吊車吊鉤斷裂分析

虞 強

（攀鋼釩提釩煉鋼廠，四川攀枝花 607023）

0 引言

1#20 t+20 t磁盤吊車使用16 t吊鉤從現場吊1槽廢鋼（重約 13 t），當吊車由鐵 5、鐵6道中間行駛至緩冷坑對面、距火車皮0.5 m時，吊鉤頸部位置突然斷裂，廢鋼槽從高空墜落，墜落高度約4 m，所幸沒有造成人員、鐵軌和火車皮損傷。將斷裂吊鉤進行宏觀、電鏡、硬度、化學和金相分析，查明吊鉤斷裂原因。采用吊環結構對原吊鉤進行改造，解決了吊鉤頻繁斷裂的問題。

1 受力分析

1.1 主要結構及吊鉤參數

下旋轉機構是一種旋轉吊具，旋轉吊具上方設有十字橫梁，十字橫梁上每個角安裝有動滑輪組，共有4組，與起升機構鋼絲繩連接。十字吊梁下方設置旋轉吊梁，其間有回轉支承裝置，十字橫梁上固定有驅動回轉支承的旋轉機構，電機帶動減速機，減速機輸出軸齒輪帶動旋轉吊梁上固定的內齒圈，十字橫梁與旋轉吊梁間裝有推力軸承，軸承座下端設有密封法蘭并與旋轉軸配合，軸承座與旋轉軸之間有定位軸承。橫梁下方對稱設置2套電磁盤，吊磁盤與橫梁間采用吊鏈連接，橫梁中心安裝有用于檢修或翻廢物用的16 t吊鉤組。

吊鉤設計參數：材料為20#鋼，鍛造，硬度臆156 HB，吊鉤在加工前經正火處理，抗拉強度滓b逸410 MPa，屈服強度滓s逸245 MPa，吊鉤頸部直徑68 mm。

1.2 附加彎曲應力

根據文獻［1］，回轉掛梁的吊鉤在負荷狀態下回轉動作的啟動和制動瞬間，由于慣性作用吊鉤明顯處于歪斜狀態，從而使頸部受到彎曲載荷，即附加彎曲應力的作用。由于回轉掛梁的回轉作用是來回重復的，可以認為是一種交變載荷的作用。2017年8月該吊車16 t吊鉤再次發生頸部螺紋退刀槽處斷裂，用磁粉和滲透探傷檢查，發現其余吊鉤也此處存在裂紋，由此認為這是一種疲勞破壞。可理解為此部位存在加工引起的應力集中，加之為直徑最小處，故此處易發生疲勞裂紋。

1.3 疲勞強度計算

圖1為吊鉤歪斜狀態時的受力圖，考慮吊鉤螺母的約束作用，將吊鉤螺紋以下部位作懸臂處理。并將重力Q1和提升力T的力平衡點設在光柄的中部。圖1中的子員和子2為吊鉤橫梁的支反力，假定吊鉤歪斜狀態時的載荷作用線與垂直狀態軸線交于吊鉤橫梁的幾何中心，即可認為吊鉤繞此中心轉動一個角度，兩軸線的交角為θ。

參照圖 1，按 Q=127.4 kN，求得附加彎矩為2853.76 MPa。危險斷面上的拉伸應力為358.14 MPa，彎曲應力92.49 MPa，最大工作應力127.59 MPa。應用安全系數法校核疲勞強度，得到安全系數為0.68。根據文獻［2-4］，對稱循環應力的許用安全系數應該在1.5～2.5，但對吊鉤頸部螺紋斷面的校核得到的安全系數僅為0.68，顯然疲勞強度不滿足要求。

圖1 16 t吊鉤歪斜狀態受力

2 失效分析

將吊鉤斷裂樣品進行宏觀、電鏡、硬度、化學和金相分析，進一步查明吊鉤斷裂的原因。

2.1 宏觀檢驗

圖2 吊鉤宏觀形貌及鉤尾軸A處斷口形貌

如圖2所示，吊鉤斷裂發生在鉤尾軸上，A處斷裂面與軸線垂直，具有典型雙彎曲疲勞斷裂特征。用1%稀鹽酸清洗斷口表面銹跡，可見斷裂源位于軸表面，呈現多源斷裂特征，裂紋擴展區具有較清晰的貝殼狀條紋。體視顯微鏡下觀察斷口表面，斷口B處可見明顯加寬的機加工痕跡，斷口C處可見多源疲勞臺階。經測量軸外徑為84 mm，螺紋根部斷口直徑為69 mm，左側斷口疲勞區最大寬度為15 mm，右側斷口疲勞區最大寬度為22 mm，中間瞬斷區最大寬度為32 mm，疲勞斷口呈現不對稱分布，說明兩側受力不一致。

2.2 低倍檢驗

切取近斷口部位鉤尾圓軸形樣品，機加工成低倍試樣，經50%熱鹽酸水溶液腐蝕10 min，取出，沖洗，吹干，經肉眼觀察可見局部錠形偏析區存在變形，試樣表面可見3組對稱分布的缺口，經觀察缺口側面為矩形壓痕（壓痕一側深，另一側較淺）。

2.3 電鏡斷口檢驗

將斷口放入掃描電鏡中觀察，斷口均含多個表面斷裂源，存在明顯環形的機加工痕跡，斷口外沿可見多個細小臺階，這是由于軸部與螺紋尾部過渡處R角太小造成應力集中，而尖銳的機加工刀痕使應力集中更嚴重，從而產生多源疲勞裂紋，隨著裂紋擴展至彼此相連時，在不同平面間的連接處形成了疲勞臺階，疲勞臺階越多，表示應力越大或其應力集中程度越大。

裂紋源區放大后可見明顯疲勞輝紋，最后瞬斷區的斷口形貌呈河流花樣，出現脆性解理斷裂特征。

2.4 化學成分分析

采用直讀光譜儀在低倍試樣上進行化學成分分析，結果見表1，滿足GB 10051.1—1988中DG20鋼標準的化學成分。

表1 鋼的化學成分

2.5 硬度分析

在低倍試樣上進行HBW硬度分析，從表面到心部取3個硬度測試點，測定值分別為109 HBW，108 HBW，109 HBW，試驗結果表明從表面到心部硬度均勻一致無明顯差異。

2.6 金相檢驗

從試樣表面到心部取2件金相樣品（金相圖略），其中表面樣品包含壓痕，編號為1#，心部樣品包含樣品中心位置，編號為2#，經磨制、拋光、腐蝕后，在光學顯微鏡下觀察可見，1#試樣縱向面非金屬夾雜物評級結果為A類0.5級、B類0級，C類0級、D類0.5級、DS類0級，1#橫向試樣邊部無明顯脫碳層存在，壓痕周圍組織均勻一致無變形，基體組織為鐵素體+少量珠光體組織，但1#試樣存在較多不規則的柱狀晶粒。2#試樣晶粒相對均勻，基體組織為鐵素體+少量珠光體組織。吊鉤通常采用鍛造+熱處理的方式獲得正常等軸的鐵素體+珠光體組織，可提高吊鉤的強度，該吊鉤存在明顯柱狀晶組織，說明該吊鉤的顯微組織主要為鑄造組織。

3 改造措施

改造后的吊環見圖3。

（1）取消原16 t吊鉤組和吊鉤橫梁，用吊環和軸代替，吊環選用長吊環CH35，尺寸為 400 mm×120 mm×35 mm，額定載荷16.75 t，軸依據原安裝圖進行設計選取軸徑100 mm，材料35CrMo，調質后硬度為（269～341）HB。

（2）為使吊環定位，設計隔套，內孔直徑100 mm，外徑120 mm，與吊環接觸處設計止擋，外徑160 mm，材料選用45#鋼。

（3）同時為避免吊環擺動時造成軸的磨損，設計襯套，材料45#鋼。

（4）翻廢物槽或吊裝物品時，直接用相應卸扣與吊環連接即可吊運物體。

圖3 改造后的吊環

4 結論及效果

（1）吊鉤的雙疲勞斷裂為鉤尾軸螺紋跟部圓弧機加工痕及加工圓角小，吊鉤使用時歪斜、材料為鑄態組織共同作用的結果。

（2）加大吊鉤頸部直徑，原16 t吊鉤頸部最小直徑為68 mm，將其擴大到78 mm，從而有效提高吊鉤靜強度和疲勞強度。

（3）綜合檢驗分析可知，吊鉤化學成分符合標準要求，低倍組織均勻，心部到中心部位的硬度均勻，非金屬夾雜物細小。低倍試樣上錠形偏析區存在局部變形，柱狀區的金相微觀組織為柱狀晶組織，說明該吊鉤經過微量變形，但主要為鑄造組織，降低了吊鉤的使用強度。

（4）由斷裂位置可知，鉤尾軸螺紋跟部圓弧處是橫截面積發生突變的部位，也就是應力比較集中的地方，對圓角的設計、加工極為重要，圓角的設計加工過小或加工不符合設計要求，都有可能造成應力集中，成為疲勞斷裂的起源。吊鉤在作業過程中，由于存在起吊傾斜角和吊運時前后擺動，使軸部兩側承受了拉、壓應力，促使裂紋不斷擴展，最終導致了吊鉤發生了不對稱的雙向彎曲疲勞斷裂。

（5）吊鉤凹槽處應力集中，如果材料選擇不當，強度級別偏低就容易導致吊鉤斷裂，吊鉤材料可選擇強度級別較高的T級別35CrMo，同時要求吊鉤在工作中嚴禁超載并且起吊要緩慢，避免產生沖擊載荷。

（6）取消原16 t吊鉤組和吊鉤橫梁，采用長吊環的方式吊裝物品，可以完全避免吊鉤歪斜帶來的附加載荷而引起的吊鉤斷裂。改造后的吊環使用效果較好，未再發生類似吊鉤的斷裂問題。