十字萬(wàn)向節(jié)軸接軸中間管斷裂原因分析

欒宜強(qiáng)　朱圣菊

摘 要：通過(guò)對(duì)接軸斷裂部位中間管，進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)、組織檢測(cè)、斷口分析、受力分析，在接軸中間管上進(jìn)行電弧焊、火焰切割等操作，出現(xiàn)應(yīng)力集中，形成微裂紋，微裂紋集聚擴(kuò)展形成疲勞裂紋，疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度，產(chǎn)生瞬時(shí)斷裂。接軸中間管部位存在電弧焊、火焰切割痕跡是主要疲勞源，是造成疲勞斷裂的根本原因。

關(guān)鍵詞：裂紋；斷裂；焊接；電弧焊；火焰切割；應(yīng)力集中；疲勞

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.044

1 前言

不銹鋼爐卷軋機(jī)熱軋生產(chǎn)線工藝流程簡(jiǎn)述：煉鋼連鑄車(chē)間生產(chǎn)的合格連鑄板坯經(jīng)過(guò)輥道送往加熱爐上料輥道，直接熱裝入加熱爐；需要修磨的連鑄板坯經(jīng)過(guò)修磨或扒皮，由吊車(chē)吊運(yùn)到加熱爐上料輥道，冷裝入爐。 連鑄板坯經(jīng)稱(chēng)重、核對(duì)坯號(hào)后進(jìn)入步進(jìn)式加熱爐加熱，根據(jù)生產(chǎn)品種和工藝不同，板坯加熱溫度為1100～1270℃。加熱好的板坯經(jīng)出爐輥道送往粗軋機(jī)前高壓水除鱗裝置，以清除連鑄和加熱過(guò)程產(chǎn)生的一次氧化鐵皮，然后進(jìn)入粗軋機(jī)軋制。粗軋機(jī)由立輥軋機(jī)和四輥軋機(jī)組成，板坯在四輥軋機(jī)上軋制5～7道，將板坯軋制成厚度為25～34mm左右的中間坯。由粗軋機(jī)軋出的中間坯，經(jīng)過(guò)中間輥道進(jìn)入精軋區(qū)。由爐卷機(jī)前的切頭、切尾飛剪切去不規(guī)則的頭、尾，然后由夾送輥除鱗機(jī)去除二次氧化鐵皮。爐卷軋機(jī)為四輥可逆式，軋機(jī)前后各有一座卷取爐和一臺(tái)夾送輥。卷取爐內(nèi)的溫度采用計(jì)算機(jī)控制，溫度范圍950～1100℃，滿(mǎn)足加熱保溫中間坯的要求。

中間帶坯首先由爐卷軋機(jī)入口側(cè)卷取爐通過(guò)，在爐卷軋機(jī)中進(jìn)行第一道次軋制。帶坯頭部出軋機(jī)后，由出口側(cè)的夾送輥送入卷取爐卷取，卷筒與軋機(jī)同步；當(dāng)帶坯再進(jìn)行可逆軋制時(shí)，入口側(cè)的夾送輥將帶坯送入入口側(cè)出口側(cè)卷取爐中卷取。如此帶坯在精軋機(jī)上進(jìn)行5～9道次的可逆軋制，軋制為成品厚度。爐卷軋機(jī)最大出口速度為13.2 m/s。從爐卷軋機(jī)軋出的帶鋼通過(guò)輸出輥道，根據(jù)鋼種采用不同的冷卻方式及冷卻工藝，然后送至卷取機(jī)卷取。經(jīng)自動(dòng)打捆機(jī)打捆后，由鋼卷運(yùn)輸機(jī)以臥卷的方式運(yùn)至鋼卷庫(kù)內(nèi)冷卻堆放，以供不銹鋼冷軋廠原料。

2 爐卷軋機(jī)概況及技術(shù)參數(shù)

爐卷軋機(jī)最大軋制力： 50000kN，最大軋制速度：0-13.2m/s，工作輥直徑：φ720/φ650mm，工作輥輥身長(zhǎng)度：2080mm。該精軋機(jī)是四輥可逆式軋機(jī)，工作輥采用軸向竄動(dòng)HCW，上下工作輥在液壓缸作用下軸向竄動(dòng)。機(jī)架牌坊上裝有固定塊及平衡彎輥塊，更換工作輥時(shí)不需要拆卸油缸配管。并在工作輥竄動(dòng)時(shí)平衡彎輥缸始終頂壓在工作輥軸承中心處。為了避免工作輥偏轉(zhuǎn)，工作輥對(duì)支承輥向軋機(jī)出口側(cè)偏移布置。上支承輥通過(guò)起吊橫梁和拉桿裝在上橫梁上的液壓平衡缸上，壓緊AGC液壓缸。

爐卷軋機(jī)主傳動(dòng)裝置，用于傳遞軋機(jī)軋制扭矩，主傳動(dòng)接軸長(zhǎng)度12680mm，兩端采用SWC型十字萬(wàn)向節(jié)接軸，最大回轉(zhuǎn)直徑：Ф780 mm ，轉(zhuǎn)速：120/350 r/min液壓平衡缸下接軸：Ф200/Ф140×150 mm 液壓平衡缸上接軸：Ф200/Ф140×280 mm。上下接軸主傳動(dòng)電機(jī)交錯(cuò)平行布置，功率6000kW，輥端十字頭設(shè)計(jì)為Φ640mm平行布置。接軸疲勞扭矩：1085 KN.m，切斷扭矩：2300KNm[1]。

3 現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題

2018年1月4日爐卷軋機(jī)上接軸在正常軋鋼過(guò)程中發(fā)生斷裂，該接軸2009年4月份上線，先后使用過(guò)6次，過(guò)鋼量1186653噸。

4 接軸斷裂分析

4.1 化學(xué)成分檢測(cè)

化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果符合GB/T 3077 合金結(jié)構(gòu)鋼34Cr2Ni2Mo鋼要求[2]。

4.2 組織檢測(cè)

對(duì)斷裂部位進(jìn)行檢測(cè)，組織為回火索氏體，屬于正常的調(diào)質(zhì)組織，奧氏體晶粒度。硬度32.5HRC（要求≤269HBW（27.5HRC））。

4.3 斷口分析

接軸斷裂部位，中間管端部靠近軸承。斷口下部存在疲勞擴(kuò)展區(qū)，裂紋源位于軸身表面。斷口大部分為瞬斷區(qū)，斷裂從上下兩個(gè)方向向中部擴(kuò)展。軸端存在焊接和火焰切割痕跡。

4.4 受力分析

接軸最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力以及等效應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在接軸中部安裝軸承處。接軸裝平衡軸承處應(yīng)力集中部位既受拉應(yīng)力又受壓應(yīng)力系統(tǒng)有時(shí)有較大的沖擊扭矩。

上接軸平衡缸規(guī)格∮200*∮140/280，工作壓力16MPa。實(shí)測(cè)平衡缸無(wú)桿腔壓力6.5MPa，桿腔壓力5MPa，根據(jù)液壓缸力矩計(jì)算公式：

F推=∏/4*D2*P*106=3.14/4*0.2*0.2*6.6*106=207.2KN

F拉=∏/4*（D2-d2）*P*106=3.14/4*（0.22 -0.142）*5*106=80.07KN

接軸平衡力為：207.2-80.07=127.13KN（接軸重量205.8KN）。

5 斷裂原因

通過(guò)對(duì)接軸斷裂部位中間管，進(jìn)行材質(zhì)化學(xué)成分、組織檢測(cè)，斷口、受力分析。接軸材質(zhì)符合要求，組織為調(diào)質(zhì)組織。斷口中大部分為瞬時(shí)斷口，接軸在斷裂過(guò)程中受到較大的沖擊載荷。疲勞源附近存在電弧焊、火焰切割痕跡，疲勞源存在淬火馬氏體，屬火焰切割引起的組織變化。在接軸中間管軸端上進(jìn)行焊接和火焰切割等操作，出現(xiàn)應(yīng)力集中，形成微裂紋，微裂紋集聚擴(kuò)展形成疲勞裂紋，疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度，產(chǎn)生瞬時(shí)斷裂。

6 結(jié)論

斷口中大部分為瞬時(shí)斷口，接軸中間管軸端部位存在電弧焊、火焰切割痕跡是主要疲勞源，是造成疲勞斷裂的根本原因。禁止在萬(wàn)向節(jié)軸接軸上焊接和火焰切割等操作，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中形成疲勞源，是避免此類(lèi)萬(wàn)向節(jié)軸接軸斷裂的重要措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]師忠秀.機(jī)械原理[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2012（01）：43-56.

[2]GB/T 3077-2015 合金結(jié)構(gòu)鋼[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.

作者簡(jiǎn)介：欒宜強(qiáng)（1977-），男，山東萊蕪人，研究生，高級(jí)工程師。