某泥門傳動軸斷裂失效分析

張啟亮，李傲挺，文武

（1.中交上海航道裝備工業有限公司；2.交通運輸部長江口航道管理局，上海 200000）

傳動軸作為工程應用中重要的組成部件，在工作中起到動力輸出的關鍵性作用，傳動軸的結構設計和加工安裝質量，與整個工作系統能否正常運轉息息相關。近年來，對各種形式傳動軸失效現象的研究引起了廣泛關注。泥駁是航道疏浚作業中裝運挖泥船所挖泥沙的重要船只，而泥門裝置是泥駁最重要的結構部件之一。泥門傳動軸的斷裂失效，直接影響泥駁的安全穩定工作。本文以長江口某泥駁泥門裝置上的傳動軸在安裝調試和施工作業中發生的斷裂情況為例，展開系統性分析，總結斷裂失效的原因并提出改進方案，以期對泥駁泥門傳動軸的設計加工提供理論指導。

1 泥門傳動軸斷裂情況

該泥駁泥門傳動軸裝置及斷裂失效部位示意圖如圖1所示。圖中泥門本體外形尺寸為1950×4050mm，自重約4.5t，泥門關閉狀態時，泥門本體與傳動油缸軸線夾角為28°。在安裝調試與施工作業中，該泥門傳動軸發生斷裂失效的部位位于靠油缸側的連接耳板位置。該耳板的外圓直徑為290mm，銷孔直徑為200mm，耳板厚度為45mm，所用鋼材為1Cr17Ni2鋼。

2 泥門傳動軸斷裂原因分析

2.1 受力分析

（1）對泥門傳動軸斷裂處耳板進行受力分析，當傳動軸被頂住不動時，耳板被油缸硬拉，如圖2所示，耳孔受單向拉力F作用，A—A截面為耳孔的危險截面。

圖1 泥門傳動軸裝置及斷裂失效部位示意圖

圖2 泥門傳動軸斷裂耳板受力分析圖

在斷裂泥門傳動軸耳孔上取拉伸試樣、沖擊試樣和硬度試樣，進行力學性能檢測。拉伸試樣和沖擊試樣斷口形貌見圖3。發現拉伸試樣的斷口很平齊，拉伸過程中沒有明顯屈服即發生斷裂。

表1 傳動軸斷裂耳板鋼力學性能測試結果

圖4 泥門關閉狀態受力分析

圖3 傳動軸斷裂耳板拉伸和沖擊試樣的宏觀形貌

斷裂耳板鋼材的力學性能測試結果如表1所示。可知鋼材1Cr17Ni2的實測極限應力為：。因此。根據《起重機設計手冊》吊鉤組的校核，該計算公式比較保守并包含了較大的安全系數。因此，該處耳板鋼材選材在力學角度可以滿足設計規范要求，但在不正常工況時也可能發生損壞。

（2）對泥門關閉狀態且泥駁滿載時對泥門本體進行受力分析，如圖4所示。泥門所受的力有：向下的有效泥柱力G1、泥門自重G2和方向向上的浮力G3、泥門油缸力F。四種力的計算如下式所示：

有效泥柱力：G1=有效泥柱面積A×有效泥柱高度H×泥柱密度

泥門自重：G2=4.5t

浮力：G3=有效泥門面積A×水壓力P

泥門油缸力：

此時，泥門油缸為受壓狀態，油缸參數280/160—900，對應油壓約為10.5MPa。傳動軸各處耳板也是受壓狀態，且受力很小。因此在正常工況下，泥門傳動軸的結構設計也能滿足強度要求。

2.2 斷口分析

泥門傳動軸斷口位置未見明顯的塑性變形，表現為脆性斷裂特征。耳孔裂紋最早萌生在焊接處，裂紋源區斷口形貌以沿晶為主，裂紋在焊縫中也是以沿晶方式擴展，而且焊縫處的顯微組織為焊接淬硬的馬氏體組織，可以判斷裂紋是由于焊接產生的冷裂紋。

在斷裂耳板上取樣進行化學成分分析，結果如表2所示。

表2 鋼材化學成分分析結果

垂直于斷口截取剖面試樣，經鑲嵌、磨拋、化學侵蝕后，置于顯微鏡下觀察，發現金相顯微組織存在較多的網狀分布的鐵素體，和沿晶分布的碳化物。1Cr17Ni2在350～550℃區間會產生該碳化物。在這個溫度范圍內，淬火馬氏體將析出碳化鉻，固溶體因析出碳化鉻而引起局部區域貧鉻，從而導致耐腐蝕性下降。此外在這個溫度范圍內，還會出現脆性。

傳動軸耳孔材料1Cr17Ni2鋼雖是馬氏體不銹鋼中強度與韌性搭配較好的鋼種之一，但由于其含碳量高，焊接工藝要求較高。因為焊接是一個快速加熱與快速冷卻的不平衡冶金過程，焊縫及焊接熱影響區焊后的組織為硬而脆的馬氏體，硬脆傾向大。當焊接接頭的氫含量較高時，很容易導致冷裂紋的產生。并且由于它的成分特點，當冷卻速度較小時，熔合區及焊縫金屬會形成粗大鐵素體及沿晶析出碳化物，使焊接接頭的塑韌性顯著降低。所以該材料焊接性能差，焊接時產生了冷裂紋，導致耳孔脆斷失效。

3 結語

為了探究泥駁泥門傳動軸的斷裂原因，本文對泥門傳動軸斷裂位置進行了受力分析和斷口分析。結果發現，泥門傳動軸耳板斷裂處是受力薄弱點，雖鋼材選材安全系數滿足設計規范，但在工況異常時容易損壞。在傳動軸加工焊接工藝過程中所造成的焊接冷裂紋，是造成部分泥門傳動軸失效的主要原因。