200吨铸造起重机花键轴断裂原因分析

虞 强

（攀钢集团攀枝花钢钒有限公司，攀枝花 617000）

0 前言

200吨铸造起重机是我厂关键设备之一。1号方坯钢水接收跨2号200吨起重机2003年12月底投入生产以来，走行机构万向联轴器多次出现突然断裂，引发万向联轴器花键轴高空坠落险肇事故。

2013年12月17日23时43分左右，一方接收2号200吨起重机空载运行至一方2号转盘上方时，走行东北角万向联轴器的花键轴掉落至零米地面上，重约10千克，坠落高度30米，给地面行走职工人身安全带来极大威胁，图1为断裂事故现场。

为了分析万向联轴器坠落事故险肇原因，杜绝事故再次发生。保证设备安全运行，对走行万向联轴器强度进行验算，断裂的花键轴宏观形貌和断口进行观察分析，对花键轴的金相组织、形状尺寸及硬度进行测试。

图1 断裂现场

1 万向联轴器验算

1.1 主要技术参数

图2 走行机构传动图

图2 为200吨铸造起重机走行机构传动系统简图，电机额定功率N=38 kW，电机转速n电=728 r/min，减速机速比i=20，车轮直径d为710 mm，最大轮压575 kN，万向联轴器型号为SWF285F-2×800，最大允许静转矩Tm=51 kN·m，允许对称疲劳转矩Tf=29 kN·m。根据手册[1-2]，验算如下。

1.2 静强度验算

计算转矩Tc

式 （1） 中 ：u—— 滑 动 摩 擦 系 数（0.15～0.2），取0.2；d——车轮直径（m），为0.71 m；∑Pmax——若一根联轴器驱动一个车轮，即为该车轮的最大轮压（kN），为575 kN。

Tc≤Tm，静强度满足要求。

1.3 疲劳强度验算

联轴器转速n：

理论转矩T：

计算转矩Tc：

式（2）～（4）中：K3—电机频繁过载系数（工作级别≥M6，取1.8）；N—电机额定功率（kW）；n—联轴器转速(r/min)。

Tc≤Tf，疲劳强度满足要求。

2 外观检查

花键轴断裂位置如图3所示，断裂发生在轴身与花键段的过渡处。断口面虽已经严重磨损，但显示一圈未焊的圆形痕迹。圆形痕迹距轴颈表面大约12 mm。断裂起源于圆形痕迹的外侧，图4显示尚未磨损的断裂起源点。

图3 花键轴断口形态

图4 尚未磨损的断裂源

花键齿宽窄不一。图5示花键端面的外貌，标尺“1 cm”正对的一个花键齿最小，只有11 mm，其余花键齿的宽度在14～14.3 mm范围不等。花键齿齿面存在部分磨损，图5中用黑线标识的对应齿面有相当长度被磨损，而另一段没有磨损，说明花键轴在系统中对中不良。从图6还可看出，齿间有加工沟槽。

图5 花键轴自由端面外貌

图6 齿间加工沟槽图

3 金相组织及硬度检查

通过断裂源区切取的金相试样，抛光浸蚀，显微镜观察[3]发现焊道下裂纹，见图7，说明修复焊的工艺不当。表面堆焊层组织为定向凝固的柱状晶，而热影响区组织为马氏体或马氏体+贝氏体的混合组织，见图8，说明焊前没有预热，焊后又没有热处理。

图7 热影响区和焊补层的裂纹

图8 热影响区的组织和裂纹图

对于42CrMo钢，含碳量和合金含量都较高，淬透性好[4]，在焊接过程中必须严格控制冷却速度，才能避免淬火组织和热影响区开裂。

从花键轴上切取横向试样，从花键齿至内部测定布氏硬度[5]见表1，结果为（186～252HB），不能满足技术要求（285-321HB）。

4 改进措施

（1）在万向联轴器下方增设检修平台，便于日常对万向联轴器的检查，同时避免万向联轴器断裂后的高空坠落。

表1 硬度检验结果

（2）对在用的万向联轴器进行无损检测，以确定是否存在裂纹。

（3）将万向联轴器的花键轴安装在冲击载荷相对较低的减速机端，降低振动载荷对花键轴的影响。

（4）选取质量可靠的厂家，提高万向联轴器备件质量的可靠性。

5 结论

（1）通过以上验算和分析，设计的万向联轴器强度满足实际工作要求。

（2）使用中的花键齿加工质量低劣，会造成振动载荷。花键轴变形或在系统中不对中，造成偏磨，同时不能均匀承载载荷。

（3）补焊层组织为定向凝固的柱状晶，热影响区出现马氏体，说明焊前没有预热，焊后又没热处理，因此产生焊接裂纹。如果焊条没有烘烤，会加剧焊道下产生冷裂纹的倾向。焊接裂纹在使用中扩展，最终造成花键轴断裂。

（4）通过按照改进措施实施后，提高了设备安全可靠性，保证了设备的安全运行，避免了万向联轴器高空坠落事故发生。

［1］徐灏.机械设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［2］张质文，虞和谦，王金诺，等.起重机设计手册［M］.北京：中国铁道出版社，1998.

［3］张栋，钟培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京：国防工业出版社，2004.

［4］陈国民.齿轮材料和热处理［Z］.郑州机械研究所，2004.

［5］韩德伟.金属硬度检测技术手册［M］.长沙：中南大学出版社，2003.