桥式起重机轴的失效分析

摘 要：本文对某桥式起重机的轴进行了失效分析。轴在键槽中断裂，有疲劳迹象。分析采用化学分析、微观结构表征、显微组织、硬度测量和有限元模拟等方法。显微组织主要为回火马氏体，发现大量氧化物、微孔和硫化锰包裹体。由于键槽的宽度和高度设计错误，键槽的几何结构也促进了裂纹的产生。分析结果表明，这些因素都会导致疲劳失效。建议首先保证材料的化学成分和微观结构。其次，在铸钢过程中加入镁或钙，以获得更好的夹杂物形状控制，最后达到标准推荐的几何参数，避免高应力集中系数。

关键词：起重机轴；视觉摄影检查；有限元分析

1 桥式起重机轴的特性

轴用于将动力传递到其他机械元件，并且通常承受扭转和弯曲载荷。起重机常年工作在柏油路、沙质土或粘土的路面上，对动力性能要求较高。而轴荷对动力性能的影响很大，这是因为在一定的附着系数下，轴荷决定扭矩大小，由于全地面起重机轴数多，轴距大，扭矩分配是否合理會对整车动力性能产生很大影响，若扭矩分配不合理，会引起车轮滑转，产生功率循环，造成动力传递效率下降，加速轮胎的磨损，不利于动力性能的改善轴中最常见的失效机制之一是疲劳。疲劳失效始于脆弱点，其中存在有利于高局部应力的冶金和结构缺陷。通常，轴中的应力集中点存在于横截面积或键槽的急剧变化中。此外，当这些敏感部位出现缺陷时，疲劳寿命会严重受损。本文对轴进行了其他失效分析，特别是与键槽拐角有关，其中疲劳失效开始的主要原因是由于键槽曲率半径小，夹杂物，修复焊接不正确，脆性微观结构和加工痕。所有这些故障都存在于轴的整个横截面上，并从键槽的拐角处开始。在这种失效分析中，只有键槽的一侧因疲劳而完全断裂，而不是整个横截面。此外，这种类型的故障多年来一直在这种机械元件中反复出现。分析的轴（更换部件）属于在运行一年后断裂的桥式起重机。从根本上说，桥式起重机系统包括一个向轴传输动力的电动机，该轴将动力传递给减速器齿轮箱。键槽连接系统的制动器。根据制造商提供的材料规格，材料是AISI 4340钢经过标准化和回火处理。发动机功率为3.73 kW，转速为600至1800 rpm。

本文的研究是确定这种轴（几乎所有行业中常用的一种元件）发生故障的原因，以防止可能导致整个设备损坏的类似故障，同样重要的是保证工业工人的安全。使用化学分析，目视检查，断口，金相分析，硬度测量和有限元模拟进行分析。轴的化学分析通过光学发射光谱法（ARL 3460 Advantage光谱仪）进行；通过使用立体镜（Nikon SMZ1000）和扫描电子显微镜（Jeol jsm-6490LV）进行断口摄影；对于金相学，样品被抛光和蚀刻（2%Nital试剂在40秒内），微压痕Vickers在10秒期间使用10g并且10次压痕用于硬度测定。

2 视觉和立体摄影检查

键槽的一个边缘断裂显示了裂缝的一些重要特征：键槽上的加工痕迹，裂纹起源，疲劳传播区，最终的塑性变形断裂带。此外，在键槽中可以注意到纵向标记，在断裂区附近具有塑性变形的特征。加工痕迹影响疲劳裂纹的成核。此外，键槽中的纵向标记可能是在钥匙放入键槽时引起的，在键槽的拐角处产生了额外的损坏。此外，棘轮痕迹，是局部应力高的证据。键槽另一侧的二次裂纹生长，因为轴必须承受的扭矩是可逆的。这种扭矩交替促进了键槽每个角落的应力变化，最终导致疲劳失效。键槽半径测量为0.6 mm，轴直径为25.4 mm；因此，r / d比为0.024。使用该比率，对于标准化键槽，发现扭转轴的应力集中系数（Kts）为2.52。国标建议传递扭矩时，最大应力集中系数可达2.6。但是，相同标准推荐的键槽宽度为6.3 mm，但轴的键槽宽度值为9.1 mm。同样，键槽高度必须为3.2 mm，但轴的键槽高度值为3.3 mm。

从轴断裂区切下样品。将该样品金相制备并在光学显微镜下在未蚀刻和蚀刻条件下观察。没有蚀刻的微观结构显示出大量的缺陷，例如微孔和非金属夹杂物。另外，在断裂区附近的轴的纵向上发现了细长的硫化锰夹杂物。MnS夹杂物平均长度约为112±2mm；这种包涵促进了断裂的发生。

这些夹杂物在显微镜下影响应力分布，有利于裂纹成核；因此，重要的是引入与疲劳裂纹扩展的阈值相关的临界夹杂物尺寸参数。这个临界值约为50-100毫米。然而，当夹杂物刚好在表面下方时，小于45mm的夹杂物会导致疲劳断裂。在断裂带附近发现了大于这些值的夹杂物。微观结构显示出回火马氏体和一些铁素体晶粒，这些晶粒可能与高温淬火或长时间的回火有关。虽然这种微观结构显然是足够的，因为它比AISI 4140的其他回火微观结构具有更高的塑性诱导裂纹闭合倾向和低裂纹扩展，但屈服强度和硬度几乎急剧下降到初始值的一半，影响了最初设计的疲劳寿命。此外，疲劳裂纹在最有利于应变的区域中成核并传播，随着回火温度的升高，这种现象更加明显。

中心区和裂缝附近的显微硬度测量结果显示两个区域的硬度测量值相似。该硬度与制造商规定的标准化和回火的AISI 4340钢不一致。预计硬度高，类似于回火马氏体在425℃时的硬度。此外，这些硬度值可能与AISI 4140钢的硬度相关，当在595-650℃回火2小时。

轴的测量和指定成分分析可以发现化学成分的差异，特别是没有镍，产生两个条件：屈服强度低于AISI 4340钢和材料的不同响应（微观结构。当进行相同的AISI 4340热处理时，特别是镍的缺乏可能有利于扩散过程，并且在比AISI 4340更低的回火温度和保持时间下促进一些铁素体晶粒的形成。

3 有限元分析（FEA）

本文使用有限元分析的静态和弹性模型以两种几何形状进行：（1）具有标准推荐几何尺寸的轴，（2）轴中具有几何尺寸的轴。确定了不同几何形状对扭转轴的理论应力集中系数（Kts）和疲劳缺口系数（Kf）的影响。需要注意的时，标准仅显示Kts因子如何随标准轴几何形状的键槽半径而变化；因此，需要对这种不规则的轴几何进行有限元分析。使用键槽上部区域中的二次四面体单元，并在轴的其余部分使用结构网格。键槽的半径，宽度和高度都经过精炼。转轴运动和位移受到轴齿轮区域的限制。扭转载荷以均匀的压力形式施加在键槽的选定面上。

根据有限元分析的结果，得到了修正几何形状的最大应力和标准几何形状的最大应力，证实了由键槽宽度和高度的不规则尺寸产生的实际应力集中系数（Kts = 5.54）高于美国标准推荐的最大应力集中系数，用于标准几何形状的轴中键槽半径（Kts = 2.6）。材料的疲劳缺口敏感性估计为0.93；因此，疲劳缺口系数（Kf）从标准几何形状增加到修改几何形状的1164%，使疲劳安全系数降低53.4%。

4 总结

本研究分析了桥式起重机轴的故障，分析结论如下。立体检查显示骨折表面存在棘齿痕迹，断口检查显示条纹；所有这些证据表明轴因疲劳而断裂。轴材料不符合化学成分标准；另一方面，微观结构不适合这种应用，因为它具有低的机械性能和靠近断裂区域的大量缺陷。具体而言，研究发现MnS夹杂物的长度高于临界夹杂物尺寸参数值，这导致疲劳寿命急剧下降。应力集中系数高于推荐值，键槽宽度和高度变化的影响使应力集中系数增加116.4%，疲劳安全系数降低53.4%。基于以上分析，本文提出以下建议：使用适当的材料（保证化学成分和微观结构）。在钢铸造过程中使用镁或钙添加剂以获得更好的夹杂物形状控制或使用真空熔化。使用标准键槽推荐的几何形状可以最大限度地减少应力集中，并尝试减少机器痕迹。

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作者简介：黄湃（1986-），男，广东人，本科，助理工程师，广州特种机电设备检测研究院。