某泥门传动轴断裂失效分析

2019-07-10张启亮李傲挺文武

中国设备工程 2019年11期

张启亮，李傲挺，文武

（1.中交上海航道装备工业有限公司；2.交通运输部长江口航道管理局，上海 200000）

传动轴作为工程应用中重要的组成部件，在工作中起到动力输出的关键性作用，传动轴的结构设计和加工安装质量，与整个工作系统能否正常运转息息相关。近年来，对各种形式传动轴失效现象的研究引起了广泛关注。泥驳是航道疏浚作业中装运挖泥船所挖泥沙的重要船只，而泥门装置是泥驳最重要的结构部件之一。泥门传动轴的断裂失效，直接影响泥驳的安全稳定工作。本文以长江口某泥驳泥门装置上的传动轴在安装调试和施工作业中发生的断裂情况为例，展开系统性分析，总结断裂失效的原因并提出改进方案，以期对泥驳泥门传动轴的设计加工提供理论指导。

1 泥门传动轴断裂情况

该泥驳泥门传动轴装置及断裂失效部位示意图如图1所示。图中泥门本体外形尺寸为1950×4050mm，自重约4.5t，泥门关闭状态时，泥门本体与传动油缸轴线夹角为28°。在安装调试与施工作业中，该泥门传动轴发生断裂失效的部位位于靠油缸侧的连接耳板位置。该耳板的外圆直径为290mm，销孔直径为200mm，耳板厚度为45mm，所用钢材为1Cr17Ni2钢。

2 泥门传动轴断裂原因分析

2.1 受力分析

（1）对泥门传动轴断裂处耳板进行受力分析，当传动轴被顶住不动时，耳板被油缸硬拉，如图2所示，耳孔受单向拉力F作用，A—A截面为耳孔的危险截面。

图1 泥门传动轴装置及断裂失效部位示意图

图2 泥门传动轴断裂耳板受力分析图

在断裂泥门传动轴耳孔上取拉伸试样、冲击试样和硬度试样，进行力学性能检测。拉伸试样和冲击试样断口形貌见图3。发现拉伸试样的断口很平齐，拉伸过程中没有明显屈服即发生断裂。

表1 传动轴断裂耳板钢力学性能测试结果

图4 泥门关闭状态受力分析

图3 传动轴断裂耳板拉伸和冲击试样的宏观形貌

断裂耳板钢材的力学性能测试结果如表1所示。可知钢材1Cr17Ni2的实测极限应力为：。因此。根据《起重机设计手册》吊钩组的校核，该计算公式比较保守并包含了较大的安全系数。因此，该处耳板钢材选材在力学角度可以满足设计规范要求，但在不正常工况时也可能发生损坏。

（2）对泥门关闭状态且泥驳满载时对泥门本体进行受力分析，如图4所示。泥门所受的力有：向下的有效泥柱力G1、泥门自重G2和方向向上的浮力G3、泥门油缸力F。四种力的计算如下式所示：

有效泥柱力：G1=有效泥柱面积A×有效泥柱高度H×泥柱密度

泥门自重：G2=4.5t

浮力：G3=有效泥门面积A×水压力P

泥门油缸力：

此时，泥门油缸为受压状态，油缸参数280/160—900，对应油压约为10.5MPa。传动轴各处耳板也是受压状态，且受力很小。因此在正常工况下，泥门传动轴的结构设计也能满足强度要求。

2.2 断口分析

泥门传动轴断口位置未见明显的塑性变形，表现为脆性断裂特征。耳孔裂纹最早萌生在焊接处，裂纹源区断口形貌以沿晶为主，裂纹在焊缝中也是以沿晶方式扩展，而且焊缝处的显微组织为焊接淬硬的马氏体组织，可以判断裂纹是由于焊接产生的冷裂纹。

在断裂耳板上取样进行化学成分分析，结果如表2所示。

表2 钢材化学成分分析结果

垂直于断口截取剖面试样，经镶嵌、磨抛、化学侵蚀后，置于显微镜下观察，发现金相显微组织存在较多的网状分布的铁素体，和沿晶分布的碳化物。1Cr17Ni2在350～550℃区间会产生该碳化物。在这个温度范围内，淬火马氏体将析出碳化铬，固溶体因析出碳化铬而引起局部区域贫铬，从而导致耐腐蚀性下降。此外在这个温度范围内，还会出现脆性。

传动轴耳孔材料1Cr17Ni2钢虽是马氏体不锈钢中强度与韧性搭配较好的钢种之一，但由于其含碳量高，焊接工艺要求较高。因为焊接是一个快速加热与快速冷却的不平衡冶金过程，焊缝及焊接热影响区焊后的组织为硬而脆的马氏体，硬脆倾向大。当焊接接头的氢含量较高时，很容易导致冷裂纹的产生。并且由于它的成分特点，当冷却速度较小时，熔合区及焊缝金属会形成粗大铁素体及沿晶析出碳化物，使焊接接头的塑韧性显著降低。所以该材料焊接性能差，焊接时产生了冷裂纹，导致耳孔脆断失效。