斗輪機(jī)輪斗軸斷裂成因分析及處理

徐吉嶺，龐琳亞

（徐州華潤(rùn)電力有限公司，江蘇徐州 221142）

0 引言

01#輪斗軸為長(zhǎng)春發(fā)電設(shè)備總廠生產(chǎn)，2010 年安裝投運(yùn)。2017 年1 月3 日19 時(shí)46 分，大霧天氣，一值中班，01#斗輪機(jī)操作員和巡檢員準(zhǔn)備啟動(dòng)01#斗輪機(jī)加倉(cāng)，懸臂皮帶啟動(dòng)后，輪斗未轉(zhuǎn)，于是巡檢員進(jìn)行仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)輪斗軸斷裂。斷裂位置在加工臺(tái)階處，斷裂處軸徑262 mm。

圖1 斷口宏觀照片

1 斷口宏觀形貌分析

斷裂位于加工臺(tái)階處（最大軸徑位置），斷口上分深黑色及黃色2 個(gè)區(qū)域：深色區(qū)域較為平坦光滑，為疲勞擴(kuò)展區(qū)；黃色區(qū)域較為粗糙，有粗大的放射棱，為快速斷裂區(qū)（圖2）。加工臺(tái)階過(guò)渡R 處有較多的棘輪標(biāo)記，為多裂紋源擴(kuò)展匯集而成，說(shuō)明此處應(yīng)力集中程度較大（表現(xiàn)為多源特征）。

由圖2 斷口光學(xué)照片可見(jiàn)，該斷口為脆性斷口、疲勞斷裂，其特征為：①斷裂處很少或沒(méi)有宏觀塑性變形；②斷口平坦，斷口與應(yīng)力方向垂直；③斷裂起源于變截面，表面缺陷和內(nèi)部缺陷等應(yīng)力集中部位。

圖2 斷口形貌

2 理化檢驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分分析

斷軸表面用ARL3460 臺(tái)式光譜儀對(duì)其作化學(xué)成分定量分析，在斷軸上制取成分分析試樣，分析結(jié)果見(jiàn)表1。輪斗軸成分符合45#鋼的設(shè)計(jì)要求。

2.2 力學(xué)性能檢驗(yàn)

在斷軸外緣1/2 半徑處制取一組硬度試樣、拉伸試樣及沖擊試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。依照J(rèn)B/T 6397—2006《大型碳素結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)于45#鋼調(diào)質(zhì)態(tài)力學(xué)性能要求，其抗拉強(qiáng)度、沖擊吸收功均超標(biāo)，沖擊韌性嚴(yán)重不足。

2.3 金相分析

在斷口附近外緣及心部各制取一只金相試樣，觀察縱截面顯微組織。非金屬夾雜物為A 類(lèi)2 級(jí)（圖3）。心部顯微組織為珠光體+大量網(wǎng)狀鐵素體（圖4），外緣顯微組織為索氏體+極少量網(wǎng)狀鐵素體（圖5）。可見(jiàn)由于軸徑太大，正火時(shí)表面冷速較快，先共析鐵素體被抑制，形成較細(xì)密的索氏體組織，而心部冷速較慢，大量先共析鐵素體以網(wǎng)狀形式析出，導(dǎo)致其韌性較差、強(qiáng)度相對(duì)較低。

表1 元素成分 %

表2 力學(xué)性能結(jié)果

圖3 非金屬夾雜物形貌

圖4 心部縱向顯微組織

圖5 外緣橫截面顯微組織

3 綜合分析

由于不同類(lèi)型載荷所造成的韌性斷裂其斷口特征不同，因此反過(guò)來(lái)可根據(jù)斷口宏、微觀特征來(lái)分析判定該輪斗軸所受載荷的類(lèi)別：

拉伸載荷引起的韌性斷裂，宏觀斷口往往呈杯錐狀或呈45°切斷外形，斷裂處一般可見(jiàn)縮頸，斷口上有大面積的韌窩且大都呈等軸韌窩或呈輕微拉長(zhǎng)韌窩。

扭轉(zhuǎn)載荷引起的韌性斷裂，宏觀斷口大都呈切斷型，微觀上是拉長(zhǎng)韌窩，匹配面的韌窩拉長(zhǎng)方向相反。

沖擊載荷引起的韌性斷裂，在宏觀上有沖擊載荷作用留下的痕跡，斷口周邊有不完整的45°唇口，微觀上呈撕裂拉長(zhǎng)韌窩，匹配面上的韌窩拉長(zhǎng)方向相同。

輪斗軸斷裂截面宏觀上符合沖擊載荷引起的韌性斷裂，裂紋起源于加工臺(tái)階過(guò)渡R 處外緣，該處應(yīng)力集中程度較大。因此，下列因素之一均有可能引起金屬零件韌性斷裂失效：①零件所用材料強(qiáng)度不夠；②零件所承受的實(shí)際載荷超過(guò)原設(shè)計(jì)要求；③零件在使用中出現(xiàn)了非正常載荷；④零件存在偶然的材質(zhì)或加工缺陷而引起應(yīng)力集中，使其不能承受正常載荷而導(dǎo)致韌性斷裂失效；⑤零件存在不符合技術(shù)要求的鑄造、鍛造、焊接和熱處理等熱加工缺陷。

如果按照J(rèn)B/T 6397—2006《大型碳素結(jié)構(gòu)鋼鍛件技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，斗輪軸元素成分符合45#鋼的設(shè)計(jì)要求，但沖擊韌性極低。從顯微組織來(lái)看，該軸的熱處理狀態(tài)應(yīng)為正火或正火+回火，心部冷卻速度相對(duì)較慢導(dǎo)致生成大量網(wǎng)狀鐵素體，對(duì)材料韌性有較大影響，硫化物夾雜達(dá)到2 級(jí)，對(duì)其韌性亦有一定影響。

從斷口形貌看，裂紋起源于加工臺(tái)階過(guò)渡R 處外緣，該處應(yīng)力集中程度較大，導(dǎo)致具有棘輪標(biāo)記的多源特征；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的疲勞擴(kuò)展后，形成月牙狀的平坦區(qū)域；疲勞擴(kuò)展至1/2 半徑處（該處沖擊韌性非常低）時(shí)，在一個(gè)較大的沖擊載荷下發(fā)生快速斷裂，形成粗大放射棱的粗糙斷裂區(qū)。

4 結(jié)論及建議

綜上所述，輪斗軸斷裂的內(nèi)因是韌性過(guò)低，這可能與內(nèi)部大量網(wǎng)狀鐵素體有關(guān)；外因是工作時(shí)受到一個(gè)較大的動(dòng)載荷（沖擊載荷）作用。

進(jìn)一步分析外因：斷裂的直接原因可能是斗輪機(jī)懸臂抬至最高處堆料，在大車(chē)行走過(guò)程中，30 m 長(zhǎng)的懸臂的抖動(dòng)，帶動(dòng)輪斗晃動(dòng)，輪斗受其自重的力的作用（自重及附件大于5 t），且在斷口面早已形成疲勞擴(kuò)展區(qū)的情況下，急速脆性斷裂。

形成斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)的可能原因有：01#斗輪機(jī)長(zhǎng)期取用1#煤場(chǎng)汽車(chē)煤，煤層較硬，輪斗阻力增大，輪斗軸扭力增大，長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行，輪斗軸長(zhǎng)期疲勞。因此建議做好以下5 個(gè)方面的工作。

（1）定期檢查、維護(hù)、試驗(yàn)過(guò)力矩護(hù)保護(hù)裝置和防撞裝置，并做好記錄。

（2）做好斗輪機(jī)檢查維護(hù)，并加強(qiáng)動(dòng)靜態(tài)巡視。

（3）特殊天氣（如濃霧、暴雨等天氣），發(fā)電部應(yīng)制定在此中天氣狀況下斗輪機(jī)運(yùn)行的安全技術(shù)措施及組織措施，保證斗輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）取料操作時(shí)，斗輪的吃煤厚度與深度應(yīng)當(dāng)保持適中，盡量保證取料均勻，防止超負(fù)荷取料。

（5）增加輪斗過(guò)電流報(bào)警裝置，增加輪斗部位的照明和監(jiān)控。