橋式起重機軸的失效分析

摘 要：本文對某橋式起重機的軸進行了失效分析。軸在鍵槽中斷裂，有疲勞跡象。分析采用化學分析、微觀結構表征、顯微組織、硬度測量和有限元模擬等方法。顯微組織主要為回火馬氏體，發現大量氧化物、微孔和硫化錳包裹體。由于鍵槽的寬度和高度設計錯誤，鍵槽的幾何結構也促進了裂紋的產生。分析結果表明，這些因素都會導致疲勞失效。建議首先保證材料的化學成分和微觀結構。其次，在鑄鋼過程中加入鎂或鈣，以獲得更好的夾雜物形狀控制，最后達到標準推薦的幾何參數，避免高應力集中系數。

關鍵詞：起重機軸；視覺攝影檢查；有限元分析

1 橋式起重機軸的特性

軸用于將動力傳遞到其他機械元件，并且通常承受扭轉和彎曲載荷。起重機常年工作在柏油路、沙質土或粘土的路面上，對動力性能要求較高。而軸荷對動力性能的影響很大，這是因為在一定的附著系數下，軸荷決定扭矩大小，由于全地面起重機軸數多，軸距大，扭矩分配是否合理會對整車動力性能產生很大影響，若扭矩分配不合理，會引起車輪滑轉，產生功率循環，造成動力傳遞效率下降，加速輪胎的磨損，不利于動力性能的改善軸中最常見的失效機制之一是疲勞。疲勞失效始于脆弱點，其中存在有利于高局部應力的冶金和結構缺陷。通常，軸中的應力集中點存在于橫截面積或鍵槽的急劇變化中。此外，當這些敏感部位出現缺陷時，疲勞壽命會嚴重受損。本文對軸進行了其他失效分析，特別是與鍵槽拐角有關，其中疲勞失效開始的主要原因是由于鍵槽曲率半徑小，夾雜物，修復焊接不正確，脆性微觀結構和加工痕。所有這些故障都存在于軸的整個橫截面上，并從鍵槽的拐角處開始。在這種失效分析中，只有鍵槽的一側因疲勞而完全斷裂，而不是整個橫截面。此外，這種類型的故障多年來一直在這種機械元件中反復出現。分析的軸（更換部件）屬于在運行一年后斷裂的橋式起重機。從根本上說，橋式起重機系統包括一個向軸傳輸動力的電動機，該軸將動力傳遞給減速器齒輪箱。鍵槽連接系統的制動器。根據制造商提供的材料規格，材料是AISI 4340鋼經過標準化和回火處理。發動機功率為3.73 kW，轉速為600至1800 rpm。

本文的研究是確定這種軸（幾乎所有行業中常用的一種元件）發生故障的原因，以防止可能導致整個設備損壞的類似故障，同樣重要的是保證工業工人的安全。使用化學分析，目視檢查，斷口，金相分析，硬度測量和有限元模擬進行分析。軸的化學分析通過光學發射光譜法（ARL 3460 Advantage光譜儀）進行；通過使用立體鏡（Nikon SMZ1000）和掃描電子顯微鏡（Jeol jsm-6490LV）進行斷口攝影；對于金相學，樣品被拋光和蝕刻（2%Nital試劑在40秒內），微壓痕Vickers在10秒期間使用10g并且10次壓痕用于硬度測定。

2 視覺和立體攝影檢查

鍵槽的一個邊緣斷裂顯示了裂縫的一些重要特征：鍵槽上的加工痕跡，裂紋起源，疲勞傳播區，最終的塑性變形斷裂帶。此外，在鍵槽中可以注意到縱向標記，在斷裂區附近具有塑性變形的特征。加工痕跡影響疲勞裂紋的成核。此外，鍵槽中的縱向標記可能是在鑰匙放入鍵槽時引起的，在鍵槽的拐角處產生了額外的損壞。此外，棘輪痕跡，是局部應力高的證據。鍵槽另一側的二次裂紋生長，因為軸必須承受的扭矩是可逆的。這種扭矩交替促進了鍵槽每個角落的應力變化，最終導致疲勞失效。鍵槽半徑測量為0.6 mm，軸直徑為25.4 mm；因此，r / d比為0.024。使用該比率，對于標準化鍵槽，發現扭轉軸的應力集中系數（Kts）為2.52。國標建議傳遞扭矩時，最大應力集中系數可達2.6。但是，相同標準推薦的鍵槽寬度為6.3 mm，但軸的鍵槽寬度值為9.1 mm。同樣，鍵槽高度必須為3.2 mm，但軸的鍵槽高度值為3.3 mm。

從軸斷裂區切下樣品。將該樣品金相制備并在光學顯微鏡下在未蝕刻和蝕刻條件下觀察。沒有蝕刻的微觀結構顯示出大量的缺陷，例如微孔和非金屬夾雜物。另外，在斷裂區附近的軸的縱向上發現了細長的硫化錳夾雜物。MnS夾雜物平均長度約為112±2mm；這種包涵促進了斷裂的發生。

這些夾雜物在顯微鏡下影響應力分布，有利于裂紋成核；因此，重要的是引入與疲勞裂紋擴展的閾值相關的臨界夾雜物尺寸參數。這個臨界值約為50-100毫米。然而，當夾雜物剛好在表面下方時，小于45mm的夾雜物會導致疲勞斷裂。在斷裂帶附近發現了大于這些值的夾雜物。微觀結構顯示出回火馬氏體和一些鐵素體晶粒，這些晶粒可能與高溫淬火或長時間的回火有關。雖然這種微觀結構顯然是足夠的，因為它比AISI 4140的其他回火微觀結構具有更高的塑性誘導裂紋閉合傾向和低裂紋擴展，但屈服強度和硬度幾乎急劇下降到初始值的一半，影響了最初設計的疲勞壽命。此外，疲勞裂紋在最有利于應變的區域中成核并傳播，隨著回火溫度的升高，這種現象更加明顯。

中心區和裂縫附近的顯微硬度測量結果顯示兩個區域的硬度測量值相似。該硬度與制造商規定的標準化和回火的AISI 4340鋼不一致。預計硬度高，類似于回火馬氏體在425℃時的硬度。此外，這些硬度值可能與AISI 4140鋼的硬度相關，當在595-650℃回火2小時。

軸的測量和指定成分分析可以發現化學成分的差異，特別是沒有鎳，產生兩個條件：屈服強度低于AISI 4340鋼和材料的不同響應（微觀結構。當進行相同的AISI 4340熱處理時，特別是鎳的缺乏可能有利于擴散過程，并且在比AISI 4340更低的回火溫度和保持時間下促進一些鐵素體晶粒的形成。

3 有限元分析（FEA）

本文使用有限元分析的靜態和彈性模型以兩種幾何形狀進行：（1）具有標準推薦幾何尺寸的軸，（2）軸中具有幾何尺寸的軸。確定了不同幾何形狀對扭轉軸的理論應力集中系數（Kts）和疲勞缺口系數（Kf）的影響。需要注意的時，標準僅顯示Kts因子如何隨標準軸幾何形狀的鍵槽半徑而變化；因此，需要對這種不規則的軸幾何進行有限元分析。使用鍵槽上部區域中的二次四面體單元，并在軸的其余部分使用結構網格。鍵槽的半徑，寬度和高度都經過精煉。轉軸運動和位移受到軸齒輪區域的限制。扭轉載荷以均勻的壓力形式施加在鍵槽的選定面上。

根據有限元分析的結果，得到了修正幾何形狀的最大應力和標準幾何形狀的最大應力，證實了由鍵槽寬度和高度的不規則尺寸產生的實際應力集中系數（Kts = 5.54）高于美國標準推薦的最大應力集中系數，用于標準幾何形狀的軸中鍵槽半徑（Kts = 2.6）。材料的疲勞缺口敏感性估計為0.93；因此，疲勞缺口系數（Kf）從標準幾何形狀增加到修改幾何形狀的1164%，使疲勞安全系數降低53.4%。

4 總結

本研究分析了橋式起重機軸的故障，分析結論如下。立體檢查顯示骨折表面存在棘齒痕跡，斷口檢查顯示條紋；所有這些證據表明軸因疲勞而斷裂。軸材料不符合化學成分標準；另一方面，微觀結構不適合這種應用，因為它具有低的機械性能和靠近斷裂區域的大量缺陷。具體而言，研究發現MnS夾雜物的長度高于臨界夾雜物尺寸參數值，這導致疲勞壽命急劇下降。應力集中系數高于推薦值，鍵槽寬度和高度變化的影響使應力集中系數增加116.4%，疲勞安全系數降低53.4%。基于以上分析，本文提出以下建議：使用適當的材料（保證化學成分和微觀結構）。在鋼鑄造過程中使用鎂或鈣添加劑以獲得更好的夾雜物形狀控制或使用真空熔化。使用標準鍵槽推薦的幾何形狀可以最大限度地減少應力集中，并嘗試減少機器痕跡。

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作者簡介：黃湃（1986-），男，廣東人，本科，助理工程師，廣州特種機電設備檢測研究院。