轧机主传动轴万向节失效分析及预防

熊 雯 赵雪松 陈燕才

(1.武汉科技大学 湖北 武汉：430081；2.武钢有限技术中心 湖北 武汉：430080)

某热轧厂R1下主传动轴万向接节在轧制SPHC钢种时突然发生断裂失效，导致现场停产16个小时。该万向节为德国福伊特生产的H系列，型号H1080(详见表1)，于2009年初安装在1580粗轧机主传动下轴轧辊侧，并于2010年7月修复后上线使用。R1主传动轴万向节材质为GS-33NiCrMo744结构钢，调质热处理，具有良好塑性和韧性，合金化程度较高，淬透性较好，采用合理的热处理工艺能得到良好的综合性能，但铸造形状复杂零件时，易产生热裂缺陷倾向。此次断裂发生在万向节接手处。

表1 H1080万向节技术参数

1 万向节工况分析

对比断裂失效前后的电气曲线，SPHC钢种的来料温度均在1000℃以上，R1上下辊子电机速度正常没有上下抖动的迹象，电机电流整体来看也趋于平滑，没有陡升陡降的现象，电流大小在1000A-1250A之间，低于报警值1500A，轧制厚度按照正常的二级在设定，R1单边的轧制力也在1000吨以下，小于总轧制力3300吨的报警值，传动侧和操作侧两边的轧制力偏差也在正常值50吨以内，可以看出影响R1下主轴十字包的其它关联设备的工况运行条件是正常的。

发生故障时：电机失速，电机电流达到1500A的报警值，轧制力出现异常变化，电机因为堵转而发生跳闸，最终导致R1卡钢。工况分析发现R1下主轴万向节在发生故障断裂之前的设备工况条件都正常，只是在轧制当块钢的时候发生了故障，从电气曲线上未找到断裂的原因。

2 宏观断口分析

R1传动轴万向节断裂部位及疲劳扩展区形貌，如图1所示，万向节轴一侧叉头已断裂掉落，另一侧叉头也已经开裂，断裂起源于叉头内壁，呈明显的海滩状疲劳。该特征为典型的疲劳断裂断口，疲劳源位于工作表面至3mm左右深度，疲劳扩展区表面光滑，可见清晰的疲劳裂纹扩展条纹。

图1 掉落万向节宏观特征图

3 化学成分分析

选取小块检验断轴化学成分，结果如表2所示。由表2结果可知：断轴化学成分正常。

表2 化学成分分析

4 力学性能检测

选取断轴较厚部位沿轴向加工拉伸与冲击试样，进行机械性能检测结果，如表3。由结果表明：断轴的强度、冲击功较低，断面收缩率与延伸率很低，硬度为316HV左右，且分布均匀，已不属于超高强度铸钢范畴，材料的塑性很差。

表3 力学性能检测

拉伸实验及冲击实验表明其抗拉慢度及抗冲击性能低于标准要求，见表3。特别是冲击值与标准要求相差较多，材料韧性较差，材料较脆，承受冲击能力较弱。

5 显微组织分析

5.1 低倍缺陷分析

将疲劳起源部位切割后，用酒精超声波清洗，疲劳均产生于叉头内壁的表层和近表层，断裂起源附近的内壁可观察到较多的气孔，见图2。剖开试样，将断面磨平、抛光、腐蚀，可见次表层有大量不均匀分布的疏松、孔洞，尺寸大约0.5～1mm左右，沿轴向呈带状分布，这是明显的焊接缺陷。

图2 万向节疲劳源附近内壁孔洞特征

5.2 显微组织分析

在断裂起源部位制备截面试样，磨制抛光浸蚀后，叉头内壁可见明显的焊接熔池、焊接热影响区、叉头基材三层组织分布特征，见图3。

图3 万向节疲劳处组织特征

断裂起源附近的焊接熔池内有气孔和夹渣，如图4。

图4 万向节焊接熔池内气孔

熔池内组织为针状铁素体+先共析铁素体，过热区组织为马氏体，正火区组织为马氏体，不完全正火区组织为马氏体+贝氏体，叉头基材组织为回火索氏体。

金相显微镜下观察缺陷组织发现，裂纹就是从疏松孔洞处萌生、扩展的，表面微裂纹为二次扩展裂纹。万向接轴叉头断裂起源于内壁，呈疲劳断裂特征。叉头内壁有明显的焊接特征，焊接熔池内有气孔和夹渣，在气孔和夹渣处应力集中，导致断裂。

6 结论

(1)焊接缺陷是引起万向节断轴的主要原因，靠近叉头工作面的次表层焊接孔洞缺陷部位局部应力集中，在剪应力的作用下产生疲劳裂纹源，在高的冲击载荷作用下快速疲劳扩展，造成叉头瞬断失效。

(2)万向节断轴的力学性能不佳是引起断轴的次要原因，断轴的强度、塑性、韧性等机械性能指标较差，尤其是塑性指标很低，材料的裂纹敏感性强、抗裂纹萌生和扩展能力不足、抗冲击变形能力不佳，对抑制断裂失效不利。

7 改进措施

(1)提高材质的纯净度并改进热处理方式。

(2)每年大修对万向节进行超声波探伤，万向节锻件内部质量符合GB/T4162—91超声波A级；对万向节表面进行渗碳处理时对R角台阶处采取保护处理，100%表面荧光磁粉探伤，不允许有磨削裂纹。

(3)定期对万向节处进行蒸汽清洗，及时清除轨道上的钢渣及其它异物。定期调整清扫器，确保轨道干净，减少附加阻力，延长万向轴寿命。

(4)安装主传动部件在线监测系统，时时监测主传动部件的运行情况。

(5)加强常规维护时，对万向轴连接螺栓紧固情况、十字轴状况等设备的点检。

(6)不能过冷钢，杜绝野蛮操作方式。避免猛烈启动、急停、紧急换向等不正确的操作方式。