天车主钩减速机高速轴断裂分析及改进措施

倪守领， 陈 征， 窦金忠， 潘春雷， 岳德国， 王荣波， 王丙军

(1.日照钢铁有限公司，山东 日照 276800；2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；3.金隅天坛(唐山)木业科技有限公司，河北 唐山 063000)

桥架型起重机又名天车，是工业生产过程中必不可少的大型运输及吊装设备，天车在包括钢铁冶炼在内的多个领域有着广泛的应用。由于天车较高的安装位置和其特殊的工作性质，决定了天车的运行状况对企业安全生产有着至关重要的影响。近年来由人员操作不规范、设备突发故障、维修管理不及时等原因导致的天车事故屡见不鲜。天车事故轻则导致工厂停工、贻误工期，重则导致人员伤亡、设备损坏，产生不必要的经济损失。

天车主要由升降机构、行走机构和操作系统三大部分组成，其中主钩减速机是升降机构最重要的工作部件，主钩减速机的工作状态直接影响了整个天车的工作能力，是天车运行能力评估和日常维护的重中之重。主钩减速机中的高速轴是其工作时重要扭矩传递部件，对高速轴故障的深入研究有利于了解整个减速机的运行状态，也能直接对后期的天车设备维护给出建议，进而减少企业出现经济损失和人员伤亡的几率，具有重要的现实意义。

高速轴大都在动载荷及各种交变应力作用下工作，所选用材料要求具备良好的力学性能，目前国内外对此类高速轴断裂分析主要从形貌(断面处)、受力及强度分析、金相成分组成、使用工况等方面开展研究分析，确定断裂失效原因并提出改善建议[3，10，11]。

1 故障概况

某钢厂生产车间加热炉跨1#天车在上料过程中发生主钩减速机传动轴断裂失效事故，据事故后统计此故障累计影响生产时间60 min。依据工厂的安全生产条例，在故障发生后需查询该设备的履历台账，得知此天车吊钩传动系统上线服役仅满一年，还远未达到失效的时限。

天车属于特种设备，其运行状态对工业生产及人员安全有重大影响。而该天车传动轴在服役期内失效，为保证后续的生产活动能安全进行，需减少类似事故发生。

2 失效分析

本文将主要从形貌分析、强度计算、材料金相，设备润滑四方面对该传动轴的失效进行分析。

2.1 形貌分析

传动轴断裂形貌如图1所示，传动轴断面形貌如图2所示。

由图1传动轴断裂形貌可得断面与轴线夹角约45°，属于典型的扭断形貌且与传动轴受力状态相符合。同时可知断面为典型的金属疲劳断面，有着较为明显的裂纹扩展区和瞬断区，由图2可清晰见得裂纹源位于键槽与断面的结合处[1，2，5，6，7]。

图1 传动轴断裂形貌

图2 传动轴断面形貌

结合图1及图2可分析知传动轴失效的大致过程：首先传动轴在使用过程中，因疲劳产生裂纹并扩展加剧，沿扩展区1方向进行，由于轴承受的扭矩及轴外侧应力较大，疲劳裂纹进而达到扩展区2后，再由外向内扩展，随着裂纹长度的加剧，传动轴强度降低至极限，轴扭断失效。

2.2 强度计算

2.2.1 成分分析

对失效轴取样，进行光谱分析以确定轴的材质[2，12]，从而确定材料特性，结果见表1。

表1 成分比对表

通过成分对比分析知：传动轴材质为45#钢，其典型抗拉强度为600 MPa，屈服强度为400 MPa，调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于交变负荷下工作轴类，因此从机械性能上材质满足选型要求。

2.2.2 受力计算

为验证轴失效是否因强度不足，对其进行强度校核[13]。传动轴计算参数见表2，尺寸参数如图3所示。

表2 传动轴计算参数

图3 传动轴尺寸参数

计算过程：键槽轴径D1切应力：

(1)

轴径D2切应力：

(2)

由于τ1<[τ]和τ2<[τ]，所以轴径切强度满足使用要求。

2.2.3 有限元分析

对传动轴进行有限元分析以确定键槽处及轴的应力状态。分析结果如图4～5所示。

图4 传动轴最大切应力分布云图

图5 传动轴等效应力分布云图

由图5知：两处轴径的最大切应力值与理论计算吻合，传动轴最大切应力发生在键槽处，且最大切应力为55.8 MPa，小于许用切应力强度；由图5知：传动轴最大等效应力发生在键槽处，且最大应力值为96.75 MPa，小于材料屈服强度。

2.3 金相分析

通过金相分析可以确定材料热处理后组织状态，从而判断材料力学性能。传动轴金相组织(200倍)如图6所示，传动轴金相组织(500倍)如图7所示，中碳钢调质后I级金相组织(500倍)如图8所示。

图6 传动轴金相组织(200倍)

图7 传动轴金相组织(500倍)

图8 中碳钢调质后I级金相组织(500倍)

由图6和图7可知：断轴的基体组织为网格铁素体+珠光体，网状铁素体是一种常见的不利于钢材力学性能的金相组织，网状铁素体会严重割裂和珠光体之间的联系，使钢的强度尤其是屈服强度低于正常值，导致塑性随之降低，易萌生裂纹源，极易变形断裂。组织网格铁素体的成因主要是淬火冷却不足或冷却缓慢，在马氏体晶界区形成网状铁素体，高温回火后仍保留在索氏体组织中。

参考GB/T 13320-2007(钢质模锻件金相组织评级图及评定方法)，本样件金相组织登记为8级，即最低级；金相组织I级的参考样本如图8所示，可见其均匀细小的保持马氏体的回火索氏体。工件在淬火后如能得到单一马氏体或马氏体及下贝氏体组织时，在高温回火后便可得到均匀的回火索氏体组织，并能保证良好的综合力学性能。

可见该传动轴的热处理工艺较差是其失效断裂的主要原因。

2.4 润滑分析

在润滑分析时，发现传动轴一侧的联轴器鼓形齿及齿套存在严重的润滑不良现象，鼓形齿磨损如图9所示。主要表现为：鼓形齿出现严重磨损，磨损量约为齿厚的1/2；齿套内油脂已经碳化，齿面上没有润滑脂，导致联轴器受力异常，工作负荷加大，此现象说明联轴器润滑管理工作极不到位。齿套润滑不良如图10所示。

图9 鼓形齿磨损

图10 齿套润滑不良

3 结论及改进措施

通过对传动轴失效事故的分析，得出分析结论及下一步改进措施。

3.1 结论

(1)轴失效形式为扭断失效；断面为疲劳断面，裂纹源为键槽与断面结合处，裂纹扩展方向为由裂纹源向外，然后再由外向内扩展，最终因受力面强度不足失效[4，8，9]；

(2)轴材质为45#钢，轴的最大切应力值为55.8 MPa，最大等效强度值为96.75 MPa，均低于材料强度理论值，说明轴的设计满足强度要求[7]；

(3)传动轴失效的直接原因为疲劳断裂，轴基体组织为网格铁素体+珠光体，金相组织较差(8级)；由于网格铁素体的存在，影响了传动轴的强度及性能，导致在使用中过早的产生了疲劳裂纹，是此次故障发生的主要原因。

(4)传动轴联轴器润滑不良，存在严重的磨齿现象，导致传动轴受力异常，加剧了疲劳裂纹的产生和扩散，是此次故障发生的次要原因。

3.2 改进措施

(1)严格管控高速轴键槽的加工精度及质量，对于槽底的圆角半径r，符合工况的情况下按标准取大值，不使用无圆角的键槽，同时提高表面、R角处的加工质量，降低表面粗糙度[14，16]。

(2)高速轴调质处理后，增加中频淬火的热处理工序，严格控制加热时间及频率，改善金相组织，提高其抗疲劳性能[15]。

(3)高速轴出厂前进行探伤，以确定传动轴是否含有裂纹，采用保护性运输和安装，避免裂纹隐患的产生。

(4)设计安装时控制高速轴各轴线同轴，运行一段时间后，定期点检校准同轴度，出现偏差后及时调整[17]。

(5)建议加强润滑管理，避免联轴器因润滑不良，造成受力异常。