十字万向节轴接轴中间管断裂原因分析

栾宜强　朱圣菊

摘 要：通过对接轴断裂部位中间管，进行化学成分检测、组织检测、断口分析、受力分析，在接轴中间管上进行电弧焊、火焰切割等操作，出现应力集中，形成微裂纹，微裂纹集聚扩展形成疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展到一定程度，产生瞬时断裂。接轴中间管部位存在电弧焊、火焰切割痕迹是主要疲劳源，是造成疲劳断裂的根本原因。

关键词：裂纹；断裂；焊接；电弧焊；火焰切割；应力集中；疲劳

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

1 前言

不锈钢炉卷轧机热轧生产线工艺流程简述：炼钢连铸车间生产的合格连铸板坯经过辊道送往加热炉上料辊道，直接热装入加热炉；需要修磨的连铸板坯经过修磨或扒皮，由吊车吊运到加热炉上料辊道，冷装入炉。 连铸板坯经称重、核对坯号后进入步进式加热炉加热，根据生产品种和工艺不同，板坯加热温度为1100～1270℃。加热好的板坯经出炉辊道送往粗轧机前高压水除鳞装置，以清除连铸和加热过程产生的一次氧化铁皮，然后进入粗轧机轧制。粗轧机由立辊轧机和四辊轧机组成，板坯在四辊轧机上轧制5～7道，将板坯轧制成厚度为25～34mm左右的中间坯。由粗轧机轧出的中间坯，经过中间辊道进入精轧区。由炉卷机前的切头、切尾飞剪切去不规则的头、尾，然后由夹送辊除鳞机去除二次氧化铁皮。炉卷轧机为四辊可逆式，轧机前后各有一座卷取炉和一台夹送辊。卷取炉内的温度采用计算机控制，温度范围950～1100℃，满足加热保温中间坯的要求。

中间带坯首先由炉卷轧机入口侧卷取炉通过，在炉卷轧机中进行第一道次轧制。带坯头部出轧机后，由出口侧的夹送辊送入卷取炉卷取，卷筒与轧机同步；当带坯再进行可逆轧制时，入口侧的夹送辊将带坯送入入口侧出口侧卷取炉中卷取。如此带坯在精轧机上进行5～9道次的可逆轧制，轧制为成品厚度。炉卷轧机最大出口速度为13.2 m/s。从炉卷轧机轧出的带钢通过输出辊道，根据钢种采用不同的冷却方式及冷却工艺，然后送至卷取机卷取。经自动打捆机打捆后，由钢卷运输机以卧卷的方式运至钢卷库内冷却堆放，以供不锈钢冷轧厂原料。

2 炉卷轧机概况及技术参数

炉卷轧机最大轧制力： 50000kN，最大轧制速度：0-13.2m/s，工作辊直径：φ720/φ650mm，工作辊辊身长度：2080mm。该精轧机是四辊可逆式轧机，工作辊采用轴向窜动HCW，上下工作辊在液压缸作用下轴向窜动。机架牌坊上装有固定块及平衡弯辊块，更换工作辊时不需要拆卸油缸配管。并在工作辊窜动时平衡弯辊缸始终顶压在工作辊轴承中心处。为了避免工作辊偏转，工作辊对支承辊向轧机出口侧偏移布置。上支承辊通过起吊横梁和拉杆装在上横梁上的液压平衡缸上，压紧AGC液压缸。

炉卷轧机主传动装置，用于传递轧机轧制扭矩，主传动接轴长度12680mm，两端采用SWC型十字万向节接轴，最大回转直径：Ф780 mm ，转速：120/350 r/min液压平衡缸下接轴：Ф200/Ф140×150 mm 液压平衡缸上接轴：Ф200/Ф140×280 mm。上下接轴主传动电机交错平行布置，功率6000kW，辊端十字头设计为Φ640mm平行布置。接轴疲劳扭矩：1085 KN.m，切断扭矩：2300KNm[1]。

3 现场问题

2018年1月4日炉卷轧机上接轴在正常轧钢过程中发生断裂，该接轴2009年4月份上线，先后使用过6次，过钢量1186653吨。

4 接轴断裂分析

4.1 化学成分检测

化学成分检测结果符合GB/T 3077 合金结构钢34Cr2Ni2Mo钢要求[2]。

4.2 组织检测

对断裂部位进行检测，组织为回火索氏体，属于正常的调质组织，奥氏体晶粒度。硬度32.5HRC（要求≤269HBW（27.5HRC））。

4.3 断口分析

接轴断裂部位，中间管端部靠近轴承。断口下部存在疲劳扩展区，裂纹源位于轴身表面。断口大部分为瞬断区，断裂从上下两个方向向中部扩展。轴端存在焊接和火焰切割痕迹。

4.4 受力分析

接轴最大主应力、最小主应力以及等效应力最大值均出现在接轴中部安装轴承处。接轴装平衡轴承处应力集中部位既受拉应力又受压应力系统有时有较大的冲击扭矩。

上接轴平衡缸规格∮200*∮140/280，工作壓力16MPa。实测平衡缸无杆腔压力6.5MPa，杆腔压力5MPa，根据液压缸力矩计算公式：

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

接轴平衡力为：207.2-80.07=127.13KN（接轴重量205.8KN）。

5 断裂原因

通过对接轴断裂部位中间管，进行材质化学成分、组织检测，断口、受力分析。接轴材质符合要求，组织为调质组织。断口中大部分为瞬时断口，接轴在断裂过程中受到较大的冲击载荷。疲劳源附近存在电弧焊、火焰切割痕迹，疲劳源存在淬火马氏体，属火焰切割引起的组织变化。在接轴中间管轴端上进行焊接和火焰切割等操作，出现应力集中，形成微裂纹，微裂纹集聚扩展形成疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展到一定程度，产生瞬时断裂。

6 结论

断口中大部分为瞬时断口，接轴中间管轴端部位存在电弧焊、火焰切割痕迹是主要疲劳源，是造成疲劳断裂的根本原因。禁止在万向节轴接轴上焊接和火焰切割等操作，避免出现应力集中形成疲劳源，是避免此类万向节轴接轴断裂的重要措施。

参考文献：

[1]师忠秀.机械原理[M].机械工业出版社，2012（01）：43-56.

[2]GB/T 3077-2015 合金结构钢[S].北京：中国标准出版社，2016.

作者简介：栾宜强（1977-），男，山东莱芜人，研究生，高级工程师。