一起门座起重机断轴原因解析及预防

颜朝友

(福建省特种设备检验研究院，福建 福州 350008)

1 前言

2018年4月，福州某大型港口1台40吨门座起重机发生大车行走台车上的哈夫铰轴断轴，如图1所示。现场了解，该门座在工作过程中由于司机操作不当，与隔壁台门座发生碰撞，导致该台门座大车台车上4根哈夫铰轴当场断轴，2根哈夫铰轴断裂严重，设备损坏严重，无法运行。文中通过现场勘察，并从哈夫铰工作原理及哈夫铰受力情况的源头进行分析，解析断轴发生的主要原因，给出整改和预防措施，避免使用过程中再次出现类似故障，导致起重机发生倾覆的严重后果，避免企业造成经济损失。

图1 大车行走台车上哈夫铰轴发生断轴

1.1 哈夫铰工作原理及优点

大型门座起重机、造船门式起重机、大型冶金桥式起重机和岸边集装箱桥式起重机等大型起重机大车行走机构，通常由于起重机自重很重再加上起吊大吨位载荷，需要多组车轮来均衡大车轮压，大车行走机构通常采用了多组台车与均衡梁铰接的结构[1]，如图2所示为双轨式大车走行机构部分结构图，其中与大车行走车轮连接均采用了哈夫铰连接（图中1、2为哈夫铰），大车台车驱动车轮行走，通过图中1、2哈夫铰连接，多级传动，驱动整个起重机行走。

图3为哈夫铰主要构成图，当台车水平转角和侧向位移需要调整时，可以通过调整螺栓在下铰座长形通孔中的位置来进行调整。这种结构最大的优点是，由于哈夫铰可以小角度的调整，相当于一个活动关节，当遇到大车轨道有小偏差时，哈夫铰可以调整，防止起重机啃轨问题的出现[2]。同时这种结构对更换台车内部零件也比较方便，只需用千斤顶把平衡梁顶起一段距离，台车组就可以取出,方便维修和更换。

图2 双轨式大车走行机构部分结构图

图3 哈夫铰主要结构图

1.2 哈夫铰轴的受力分析

图4 哈夫铰轴受力分析

图4为哈夫铰在正常工作情况下的受力分析图，从图中可见，哈夫铰在起重机尺寸安装位置合理情况下，是不受大车驱动时的剪力，大车台车的驱动力矩通过自重（包括载荷）与哈夫铰联接面之间的摩擦力矩一级一级带动，来驱动起重机行走，因此哈夫铰的设计计算也主要验算接触面的挤压强度。

2 断轴原理分析

2.1 断轴位置及断口分析

图5为发生断轴的位置以及断口的形状，呈现比较明显的高周疲劳断裂，即有明显的三个区域：疲劳源，疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。一、疲劳源区显得比较光亮，这是疲劳裂纹产生后,在交变应力作用下裂纹面反复摩擦导致；二、疲劳裂纹扩展区呈现贝壳状(或海滩状) 的条纹，此条纹是疲劳裂纹从疲劳源处开始不断向前推进留下的痕迹；三、瞬时断裂区，轴此区的断口显得高低不平，非常粗糙，并且没有任何摩擦的痕迹。断轴分析可见，断轴位置开始存在着表面裂纹，而从图4哈夫铰轴受力分析可知，哈夫铰轴正常情况是不受交变应力作用的，即断口位置通常是不受力或着受力很小，不可能发生哈夫铰轴表面裂纹情况，而该台门座却发生4根哈夫铰轴同时断掉、2根轴断裂的严重情况，说明这些哈夫铰轴在使用过程中，不断受到交变应力的作用，如图6所示，导致在断口位置先出现了表面裂纹，而该轴长期处于包裹状态，外观无法检查，随着裂纹的扩展，断轴就是迟早的事情，而该台门座又恰好发生了碰撞事故，冲击力非常大，出现了多轴同时断裂的严重后果。

图5 断口位置及断口形状

2.2 断轴原因

2.2.1 安装的尺寸误差

由于安装过程中轨距误差、顶面高低误差、坡度、纵向直线度、四点共面度等误差，导致图6情况发生，即哈夫铰轴与轴套之间发生倾斜，导致哈夫铰轴在实际工作中起承担传力的轴，而不是通过摩擦力矩驱动大车行走，哈夫铰轴受力端部（断裂处）受到交变应力作用，随着时间的推移，必然导致哈夫铰轴出现表面裂纹，裂纹扩展到断裂。

2.2.2 使用过程不当

该码头处于外海位置，海盐等对设备腐蚀较为严重，且使用单位对设备的维护保养欠缺，哈夫铰轴本应有一定的自由度来调整大车台车位置，但该门座的哈夫铰轴长期处于忽略保养状态，即哈夫铰轴长期未润滑，出现轴卡死现象。现场勘察，该门座起重机大车轨道有比较明显的轨道偏差以及轨道高低差，在哈夫铰轴卡死情况下，哈夫铰轴也会受到图6所示的交变应力，长期运行则容易出现高周疲劳裂纹，在冲击力作用下，发生断轴事故。

图6 尺寸安装不当，导致哈夫轴起传力作用

2.2.3 材质和加工问题

重要轴通常需要详细的设计计算以及结构设计，即轴必须有足够的强度、刚度以及必要的表面强化热处理，同时也对轴的材质和成分有特殊的要求。但是加工过程的加工缺陷以及材质选择不当，表面缺失热处理，轴在使用过程中容易出现应力集中和表面强度不够等缺陷，导致轴发生断裂、弯曲等。设计人员根据哈夫铰轴工作原理和受力情况，可能在哈夫铰轴设计上按照不受力或者受力较小设计，制造上该轴可能就是按照非受力轴制造，轴表面未采取调质、淬火等硬化处理，没有表面强化处理的轴受交变应力作用，更容易表面出现裂纹。

当然还可能存在其他的原因导致该门座起重机发生哈夫铰轴断裂，但从该门座断轴情况解析，安装尺寸偏差和使用不当,以及轴表面未强化处理是发生哈夫铰轴断裂的主要原因。

2.3 使用修复和预防

通过以上哈夫铰轴原理分析和断轴原因解析，为了确保设备安全运行，不再发生类似事故，必须要做好以下三个方面：

（1）对该门座起重机的安装尺寸进行全面测量，并与制造单位提供的图纸进行比较，特别是需要测量轨距误差、顶面高低误差、坡度、纵向直线度、四点共面度等是否与设计有较大偏差，如有，需要请厂家进行修复调整。

（2）对断轴进行材料分析，确保未发生断裂的轴无材质方面的问题，并对未断裂的轴进行无损检测，特别是断裂根部位置的表面磁粉检测。

（3）必要时，通过动态应力测试，对修复后的轴断裂处位置进行动态应力监测，监测工作过程中的该位置的受力情况，做到对修复效果的终端检测。

3 结语

哈夫铰结构具有可以调整大车台车位置，避免起重机啃轨和方便修理等优点，常用于大型起重机上，但是如果存在安装尺寸偏差过大，使用保养不当等会导致哈夫铰轴发生断轴的事故，必须引起起重机制造、安装和使用单位的重视，避免类似事故再发生。