某煉鋼廠100 t渣車車輪軸頻斷裂原因分析*

張 言，劉驍知

(1.成都工業(yè)學(xué)院電加工實驗室，四川成都 611730;2.成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司，四川成都 610000)

某煉鋼廠100 t渣車車輪軸頻斷裂原因分析*

張 言1，劉驍知2

(1.成都工業(yè)學(xué)院電加工實驗室，四川成都 611730;2.成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司，四川成都 610000)

某煉鋼廠100 t渣車在使用過程中，出現(xiàn)車輪軸頻繁斷裂問題。從渣車車輪軸結(jié)構(gòu)出發(fā)，計算車輪軸的受力情況，并綜合分析設(shè)計制造環(huán)節(jié)等方面因素，總結(jié)了最終導(dǎo)致車輪軸在工作中頻繁斷裂的原因，對于改進(jìn)渣車車輪軸的設(shè)計制造提供了一定的參考。

車輪軸;斷裂;改進(jìn)

1 引言

某煉鋼廠原有三臺100 t渣車，軌道中心距均為2 470 mm，其主要技術(shù)參數(shù)如下:電機(jī)YZR225M－8，22 kW715 r/mim，減速機(jī)ZQ65O，速比48.57，鏈輪傳動比28/17，套筒滾子鏈節(jié)距50.8 mm，車輪直徑φ700，運行速度19.7 m/mim，渣車最大外形尺寸8 300 mm×3 300 mm×2 000 mm，軸距5 400 mm，車架臺面高1 250 mm，自重19 800 kg，車上放兩個3 400 mm×3 400 mm×1 400 mm渣罐，渣罐自重約18 t/個，裝渣20～25 t/個。

2 出現(xiàn)的問題

自煉鋼廠建成投產(chǎn)以來，100 t渣車車輪軸從φ185 mm軸頸根部頻繁被砸斷，每年砸斷約10～15根，其中從動車輪軸約占80%，因在主動車輪端車架布置有傳動機(jī)構(gòu)，故渣罐重量大部份集中在從動端車輪端的車架上，而安裝在軸兩端頭的φ180/φ300×96雙列調(diào)心滾子軸承卻從未損壞過，后來雖將車輪孔和軸頸增大到φ200 mm，軸材質(zhì)由原40Cr改為45鋼后，雖有一點好轉(zhuǎn)，但也同樣被砸斷。如圖1所示，從車輪軸斷口看出，斷口相對平齊，在軸頸斷口外邊緣，有一圈1～2 mm寬度的已被擠壓磨損，并相對光滑的舊裂痕圈，這說明軸頸根部表面已產(chǎn)生了疲勞裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)張成一圈后，車輪軸在轉(zhuǎn)動中，主要受到扭轉(zhuǎn)和重載的剪切才能使斷口面比較平齊，而不是凸凹不平。

因位于煉鋼轉(zhuǎn)爐下環(huán)境惡劣，將產(chǎn)生斷軸后的渣車從轉(zhuǎn)爐下面軌道拖出至少需2 h以上，不僅對生產(chǎn)造成一定影響，而且給檢修工作造成很大困難。

圖1 渣車車輪軸斷口

3 原因分析

3.1 車輪軸受力分析

首先對車輪軸進(jìn)行強(qiáng)度計算，從動車輪軸如圖2所示。

圖2 100 t渣車從動車輪軸示意圖

主動車輪軸扭矩為電機(jī)和減速機(jī)通過鏈條、鏈輪作用在車輪上，從動車輪軸扭矩為主動車輪通過車架、軸承座傳遞，車輪與軌道摩擦阻力產(chǎn)生反力矩Mo。

(1)作用在從動軸上的輸入扭矩

電機(jī)輸出功率計算轉(zhuǎn)矩:Tc=9 550 P/n

式中:Tc為計算轉(zhuǎn)矩，N·m;P為電機(jī)功率，P=22 kW;n為末轉(zhuǎn)速，n=750 r/48.57×1.7=9 r/mim。

作用在車輪主動軸上的扭矩:Mn=Tc×η

式中:Mn為作用在車輪主動軸上的扭矩，η為減速和鏈條的傳動效率約0.82，則:

因繞線式電機(jī)過載能力大，簡化計算，將作用在主動軸上的扭矩比作從動軸扭矩，得:

(2)車輪滾動與軌道摩擦阻力Pmax產(chǎn)生反力矩

式中:Pmax為車輪與軌道摩擦阻力，主從動兩套車輪組各1/2 kg，Pmax=(Q+G)(2k+μd)K/2D;(Q+G)為鐵水罐和車體最大重量120 t=120 000 kg;k為滾動摩擦系數(shù)0.07;μ為軸承摩擦系數(shù)0.015;d為軸承內(nèi)徑18 cm;K為附加摩擦阻力系數(shù)K=2;D為車輪直徑70 cm。將上述各值代入計算式:

其中:W為抗彎截面模量W=d3π/32，查《機(jī)械設(shè)計手冊》φ100～300直徑熱軋45鋼在正火條件下的σs=290 MPa，所以:

單從上述計算，車輪軸基本能滿足使用要求，但在軸頸重載運行旋轉(zhuǎn)時，軸頸根部受到的附加彎扭距和各應(yīng)力集中形成疊加，也是造成該車輪軸斷裂的主要原因之一。

3.2 斷裂原因分析

(1)車輪軸材質(zhì)40Cr選用不當(dāng)，雖然40Cr調(diào)質(zhì)后有較高的機(jī)械強(qiáng)度，但40Cr或45Cr類材料對熱處理很敏感，不容易控制火候，且具有較低的破壞韌性，在用于軸類零件時容易發(fā)生脆性斷裂，其綜合機(jī)械性能不如使用45鋼。

(2)將軌距2 470 mm，長度3 200 mm的車輪軸設(shè)計成兩端頭單軸承座結(jié)構(gòu)不合理，使兩車輪之間輪轂內(nèi)邊緣軸頸處承受了較大的彎扭矩。

(3)車輪軸設(shè)計存在缺陷，車輪軸在安裝車輪的φ185軸頸與φ210軸肩根部無任何過渡圓角，寬度45×15的鍵槽靠攏軸肩根部，軸肩根部尖角和鍵槽應(yīng)力重疊集中。

車輪軸與孔裝配設(shè)計 φ185H7/n6過盈量相對小，轉(zhuǎn)爐下的軌道內(nèi)經(jīng)常有噴濺的高溫爐渣堆積，車輪體溫度達(dá)到120℃左右，車輪孔受熱后有一定微量增大，位于軸端頭的兩個M16壓板螺栓和車輪定位套不起作用，車輪在不平直變形的軌道上運行時容易從軸頸上向外竄動;長度3 200 mm車輪軸的兩軸端裝車輪和滾動軸承的4段軸頸段缺少同軸度要求和徑向跳動值要求。

(4)加工制造可能存在缺陷。該型車軸在加工時使用φ220×3 200熱軌圓鋼毛坯下料，按3 200長度下料，圓鋼毛坯采用兩次吊裝調(diào)換180°，在臥式鏜床上對兩軸頭端面軸鉆車床頂尖中心孔，因3 200長度熱軌圓鋼坯料存在一定量的彎曲和橢圓(φ220)，故在兩端軸頸中心孔中心線之間存在至少有2～3 mm的不同軸度誤差;在車削車輪軸時，是分為兩次裝夾，每次只加工頂尖頂住端的軸頸，這種加工方法必然造成安裝兩端間距2 390 mm車輪軸頸位置段的同軸度誤差增大。其后在安裝時發(fā)現(xiàn)軸表面粗糙度未達(dá)到圖紙Ra1.6要求，裝配時用細(xì)砂紙將軸頸段磨光后，軸頸的實際尺寸未達(dá)到軸孔φ185H7/n6過盈裝配要求;車輪軸采用熱軋圓鋼加工，未進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，軸頸強(qiáng)度未得到有效提高。

(5)現(xiàn)場將車輪與軸頸焊接固定錯誤。煉鋼轉(zhuǎn)爐下軌道內(nèi)經(jīng)常堆積有高溫鋼渣，車輪工作環(huán)境惡劣，車架和車輪表面溫度常在80～100℃，車輪孔受熱產(chǎn)生的微量熱膨脹比實心軸大，使軸孔之間裝配間隙增大，車輪在不平直變形軌道上運行時車輪容易從軸頸上向外退出，而軸端擋板螺釘壓緊力根本壓不住車輪退出，為防止車輪外退，檢修人員將車輪軸頸與車輪內(nèi)側(cè)面焊高度10 mm一整圈焊縫固定，見圖3所示。

圖3 車輪頸與車輪內(nèi)側(cè)面焊接實物圖

因40 Cr和45鋼含碳較高，在常溫下焊接時，因母材溫度較低，焊縫在瞬間產(chǎn)生的熱量對軸頸表層加熱和冷卻速度都較快，軸表面在焊縫熱影響區(qū)靠近熔合線一側(cè)在快速冷卻時容易形成一圈薄層馬氏體硬脆金相組織，有導(dǎo)致開裂的危險，另一方面熱影響區(qū)靠近熔合線處的晶粒因受高熱易于粗化，即容易使軸頸焊接熔合線表面淬火，形成環(huán)狀馬氏體組織，馬氏體容易形成表面裂紋，形成應(yīng)力集中，在較大外力沖擊和彎扭矩作用下，造成軸頸斷裂，故這也是主要原因之一。

4 總結(jié)

綜上所述，今后在類似車軸的設(shè)計中，應(yīng)避免以上問題。該廠針對車軸技術(shù)改進(jìn)后如今已可正常使用，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 鄭文緯，吳克堅，鄭星河.機(jī)械原理［M］.北京:高等教育出版社，1997.

［2］ 楊可楨.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［3］ 吳先文.機(jī)械設(shè)備維修技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2012.

Cause Analysis of 100t Slag Car's Wheel Axle Fracture in a Steel Plant

ZHANG Yan1，LIU Xiao－zhi2
(1.Electro machining Laboratory，Chengdu Technological University，Chengdu Sichuan 611730，China;
2.CEC Jingjiang Info Industrial Co.，Ltd，Chengdu Sichuan 610000，China)

There is a problem of 100t slag car's axle fracture during the use in a steel plant.From the structure of wheel axle，the force situation of wheel axle is calculated，the factors of the design and manufacture link are comprehensively analyzed.The reasons of wheel axle fracture are summarized，which provides reference for design and manufacturing of improving the wheel axle.

wheel axles;fracture;improving

TH123

B

1007－4414(2013)05－0146－02

2013－08－15

張 言(1986－)，女，四川宜賓人，碩士，助教，主要從事機(jī)電一體化研究。