轉(zhuǎn)爐傾動機構(gòu)連接叉聯(lián)接螺栓斷裂原因分析與對策

供稿|關(guān)曉光，尚玉濱，汪碧威/ GUAN Xiao-guang, SHANG Yu-bin, WANG Bi-wei

轉(zhuǎn)爐傾動機構(gòu)連接叉聯(lián)接螺栓斷裂原因分析與對策

Analysis and Countermeasures about Bolts Fracture of Connect Fork in Tilting Mechanism of Converter

供稿|關(guān)曉光1，尚玉濱2，汪碧威2/ GUAN Xiao-guang1, SHANG Yu-bin2, WANG Bi-wei2

作者單位：1. 河北鋼鐵集團唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063016；2. 河北鋼鐵集團唐鋼公司熱軋部，河北 唐山 063016

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章從材質(zhì)、氫脆性、力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)和預(yù)緊力5個方面對唐鋼熱軋部150 t轉(zhuǎn)爐傾動機構(gòu)連接叉螺栓斷裂的原因進行了分析，指出了螺栓斷裂由螺栓本身結(jié)構(gòu)及預(yù)緊力不足所致，通過計算確定了預(yù)緊力的范圍，并在最后給出了防止螺栓斷裂的對策。

唐鋼熱軋部現(xiàn)有150 t轉(zhuǎn)爐3座，均采用全懸掛式的傾動機構(gòu)。對于此種傾動機構(gòu)，為了防止懸掛在耳軸上的傳動裝置繞耳軸轉(zhuǎn)動，均設(shè)有抗扭轉(zhuǎn)緩沖裝置，通過抗扭轉(zhuǎn)裝置將傳動裝置的反力矩傳遞到基礎(chǔ)上。唐鋼熱軋部150 t轉(zhuǎn)爐傾動機構(gòu)采用的是如圖1所示的扭力桿抗扭轉(zhuǎn)緩沖裝置。

自2009年投入使用以來，3座轉(zhuǎn)爐共發(fā)生過上下連接叉聯(lián)接螺栓斷裂事故6次，均為單側(cè)4條M64螺栓全部斷裂，出鋼側(cè)2次，加料側(cè)4次。由圖1可以看到，上連接叉與傾動減速機相連，下連接叉與扭力桿相連，它們的聯(lián)接螺栓一旦發(fā)生斷裂，扭力桿抗扭緩沖裝置失效，將導(dǎo)致傾動減速機損壞、爐內(nèi)鋼水因慣性濺出等事故，影響生產(chǎn)。

原因分析

圖1　轉(zhuǎn)爐傾動機構(gòu)扭力桿抗扭緩沖裝置

查閱相關(guān)螺栓斷裂案例和文獻后，本文對螺栓斷裂的原因從以下5個方面進行考慮，即材質(zhì)，氫脆性、力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)和預(yù)緊力(矩)。

材質(zhì)

根據(jù)設(shè)計圖紙，上下連接叉的聯(lián)接螺栓的材質(zhì)為42CrMo，因此采用光譜分析法對斷裂螺栓(共4條)的化學(xué)成分進行了分析，測試結(jié)果及標準值見表1，可見該螺栓的化學(xué)成分符合標準要求。

氫脆性

42CrMo高強度螺栓制作過程中需要經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理，在較高的加熱溫度下，氫容易滲入螺栓應(yīng)力集中的區(qū)域，使該區(qū)域的材質(zhì)發(fā)生脆化現(xiàn)象，進而在使用過程中發(fā)生斷裂，如螺栓頭桿結(jié)合。本文所涉及的螺栓斷裂位置均在螺栓頭桿結(jié)合處，因此對斷裂螺栓的氫含量進行了分析。首先在斷口附近取樣，再經(jīng)清洗后用測氫儀對樣品氫含量進行了測定，結(jié)果見表2。

由表2可見，斷裂螺栓表面處的氫含量較高，應(yīng)為高強螺栓經(jīng)表面滲碳處理的緣故，但氫含量并未超過標準值，可以排除螺栓因氫脆而斷裂的原因。

表1　斷裂螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))%

表2　斷裂螺栓的氫含量

力學(xué)性能

對斷裂的螺栓取樣進行拉伸試驗和沖擊試樣，測試結(jié)果及標準值見表3，可見這些螺栓的機械性能沒有問題。

表3　斷裂螺栓的力學(xué)性能

結(jié)構(gòu)

GB/T5782—2000標準中規(guī)定，螺帽與螺桿的過渡圓角最小應(yīng)為2 mm，而如圖2所示的螺帽斷面圖可見，此處的圓角很小，經(jīng)現(xiàn)場測量僅為1 mm。圓角結(jié)構(gòu)對應(yīng)力集中影響很大，而應(yīng)力集中是導(dǎo)致螺栓斷裂的一個重要原因。因此可以得出螺帽與螺桿的過渡圓角過小是螺栓斷裂的原因之一。

預(yù)緊力(矩)

◆ 預(yù)緊力及預(yù)緊力矩

預(yù)緊可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強度，增強連接的緊密性和剛性，但過大過小的預(yù)緊力均是有害的。過小預(yù)緊力雖然能使螺栓上循環(huán)變化的總載荷的平均值減小，但卻使載荷變幅增大，總的效果仍是使螺栓疲勞壽命下降。而預(yù)緊力過大，則螺栓可能被擰斷，聯(lián)接件被壓碎、咬粘、扭曲或斷裂，也可能使螺紋牙被剪斷而脫扣。因此有必要將預(yù)緊力及預(yù)緊力矩控制在一定范圍之內(nèi)。

圖2　螺帽斷面圖

◆ 實際預(yù)緊力測試

在日常的安裝及檢修維護中，唐鋼熱軋部對轉(zhuǎn)爐傾動機構(gòu)上下連接聯(lián)接螺栓的緊固一直采用的是用敲擊扳手加大錘敲擊的方式，該方式因操作人員的差異，緊固效果有較大的差距。因此我們對采用此種方式的預(yù)緊力大小進行了測量，以查明是否滿足要求。測量方法如下：

在測試螺栓的六角頭中心部分鉆一個直徑2 mm的盲孔，在孔內(nèi)安裝埋入式應(yīng)變計，對其進行封膠固化，之后在試驗機上進行標定。因為應(yīng)變片在彈性范圍變化，因此得到標定曲線近似為一條直線，這樣我們就得到了螺栓所受軸向的預(yù)緊力與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系。隨后將裝有應(yīng)變計的螺栓安裝在結(jié)構(gòu)上，用敲擊扳手加大錘敲擊的方式進行落實的緊固。應(yīng)變儀會采集螺栓軸向的應(yīng)變數(shù)據(jù)，最后根據(jù)標定曲線將應(yīng)變換算成螺栓的預(yù)緊力。表4中給出了8條測試螺栓的終擰完成后預(yù)緊力。

通過表4可以看到，8條待測螺栓的預(yù)緊力均未在計算范圍之內(nèi)，與計算范圍中的最小值相比仍有一定差距，而預(yù)緊力不足將導(dǎo)致螺栓聯(lián)接產(chǎn)生松動，進而發(fā)生螺栓疲勞斷裂。

表4　測試螺栓的預(yù)緊力

對策

通過上面的分析，得出導(dǎo)致傾動機構(gòu)連接叉聯(lián)接螺栓斷裂的原因主要有兩個，其一是螺帽與螺桿過渡圓角的結(jié)構(gòu)問題，其二是預(yù)緊力不足的問題。針對上述兩個原因，采用以下兩種對策來解決。

(1) 螺帽與螺桿的過渡圓角因螺栓孔的限制以及螺帽與被連接件接觸面積的要求，尺寸可變化的范圍有限，應(yīng)力集中問題無法有限避免。因此這里直接棄用螺栓，而用雙頭螺柱來代替，徹底消除該處因應(yīng)力集中導(dǎo)致螺栓斷裂的潛在危險。

(2) 采用液壓扭矩扳手來控制預(yù)緊力達到要求。根據(jù)上面求得的預(yù)緊力P0，根據(jù)預(yù)緊力矩計算公式：Mt=K×P0×d(其中：K為擰緊力系數(shù)，根據(jù)設(shè)計手冊K取0.24；d為螺栓大徑64 mm)，可求得Mt=13.7~19.2 kN·m，當液壓扳手的扭力值讀數(shù)達到此范圍后，即停止擰緊操作，保證預(yù)緊力在合理范圍之內(nèi)。另外要注意，擰緊螺栓時一定要在聯(lián)接螺栓不受力時進行。即當某一側(cè)螺栓發(fā)生斷裂后，將轉(zhuǎn)爐慢緩慢搖至反方向，此時螺栓拉斷側(cè)上下連接叉相互擠壓，更換新螺栓時螺栓不受力，預(yù)緊力可得到可靠保證。

結(jié)論

本文對可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐傾動機構(gòu)連接叉聯(lián)接螺栓斷裂的原因進行了分析，指出螺栓本身的結(jié)構(gòu)問題及螺栓擰緊時預(yù)緊力不足是導(dǎo)致該處螺栓斷裂的主要原因，并給出了采用雙頭螺柱代替原螺栓及采用液壓扭矩扳手保證預(yù)緊力的措施。經(jīng)生產(chǎn)實踐證明，采用這兩種方法后，唐鋼熱軋部再未發(fā)生過該處螺栓斷裂的問題。

參考文獻

[1] 孫國峰. 40Cr鋼螺栓斷裂分析. 金屬制品, 2011(5): 80

作者簡介：關(guān)曉光(1981—)，男，工程師，工學(xué)碩士，2007年3月畢業(yè)于東北大學(xué)機械設(shè)計及理論專業(yè)，現(xiàn)在唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系從事教學(xué)工作。

DOI:10.3969/j.issn.1000－6826.2015.04.12