磁盤吊車吊鉤斷裂分析

虞 強

（攀鋼釩提釩煉鋼廠，四川攀枝花 607023）

0 引言

1#20 t+20 t磁盤吊車使用16 t吊鉤從現(xiàn)場吊1槽廢鋼（重約 13 t），當(dāng)?shù)踯囉设F 5、鐵6道中間行駛至緩冷坑對面、距火車皮0.5 m時，吊鉤頸部位置突然斷裂，廢鋼槽從高空墜落，墜落高度約4 m，所幸沒有造成人員、鐵軌和火車皮損傷。將斷裂吊鉤進(jìn)行宏觀、電鏡、硬度、化學(xué)和金相分析，查明吊鉤斷裂原因。采用吊環(huán)結(jié)構(gòu)對原吊鉤進(jìn)行改造，解決了吊鉤頻繁斷裂的問題。

1 受力分析

1.1 主要結(jié)構(gòu)及吊鉤參數(shù)

下旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是一種旋轉(zhuǎn)吊具，旋轉(zhuǎn)吊具上方設(shè)有十字橫梁，十字橫梁上每個角安裝有動滑輪組，共有4組，與起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩連接。十字吊梁下方設(shè)置旋轉(zhuǎn)吊梁，其間有回轉(zhuǎn)支承裝置，十字橫梁上固定有驅(qū)動回轉(zhuǎn)支承的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，電機(jī)帶動減速機(jī)，減速機(jī)輸出軸齒輪帶動旋轉(zhuǎn)吊梁上固定的內(nèi)齒圈，十字橫梁與旋轉(zhuǎn)吊梁間裝有推力軸承，軸承座下端設(shè)有密封法蘭并與旋轉(zhuǎn)軸配合，軸承座與旋轉(zhuǎn)軸之間有定位軸承。橫梁下方對稱設(shè)置2套電磁盤，吊磁盤與橫梁間采用吊鏈連接，橫梁中心安裝有用于檢修或翻廢物用的16 t吊鉤組。

吊鉤設(shè)計參數(shù)：材料為20#鋼，鍛造，硬度臆156 HB，吊鉤在加工前經(jīng)正火處理，抗拉強度滓b逸410 MPa，屈服強度滓s逸245 MPa，吊鉤頸部直徑68 mm。

1.2 附加彎曲應(yīng)力

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，回轉(zhuǎn)掛梁的吊鉤在負(fù)荷狀態(tài)下回轉(zhuǎn)動作的啟動和制動瞬間，由于慣性作用吊鉤明顯處于歪斜狀態(tài)，從而使頸部受到彎曲載荷，即附加彎曲應(yīng)力的作用。由于回轉(zhuǎn)掛梁的回轉(zhuǎn)作用是來回重復(fù)的，可以認(rèn)為是一種交變載荷的作用。2017年8月該吊車16 t吊鉤再次發(fā)生頸部螺紋退刀槽處斷裂，用磁粉和滲透探傷檢查，發(fā)現(xiàn)其余吊鉤也此處存在裂紋，由此認(rèn)為這是一種疲勞破壞?？衫斫鉃榇瞬课淮嬖诩庸ひ鸬膽?yīng)力集中，加之為直徑最小處，故此處易發(fā)生疲勞裂紋。

1.3 疲勞強度計算

圖1為吊鉤歪斜狀態(tài)時的受力圖，考慮吊鉤螺母的約束作用，將吊鉤螺紋以下部位作懸臂處理。并將重力Q1和提升力T的力平衡點設(shè)在光柄的中部。圖1中的子員和子2為吊鉤橫梁的支反力，假定吊鉤歪斜狀態(tài)時的載荷作用線與垂直狀態(tài)軸線交于吊鉤橫梁的幾何中心，即可認(rèn)為吊鉤繞此中心轉(zhuǎn)動一個角度，兩軸線的交角為θ。

參照圖 1，按 Q=127.4 kN，求得附加彎矩為2853.76 MPa。危險斷面上的拉伸應(yīng)力為358.14 MPa，彎曲應(yīng)力92.49 MPa，最大工作應(yīng)力127.59 MPa。應(yīng)用安全系數(shù)法校核疲勞強度，得到安全系數(shù)為0.68。根據(jù)文獻(xiàn)［2-4］，對稱循環(huán)應(yīng)力的許用安全系數(shù)應(yīng)該在1.5～2.5，但對吊鉤頸部螺紋斷面的校核得到的安全系數(shù)僅為0.68，顯然疲勞強度不滿足要求。

圖1 16 t吊鉤歪斜狀態(tài)受力

2 失效分析

將吊鉤斷裂樣品進(jìn)行宏觀、電鏡、硬度、化學(xué)和金相分析，進(jìn)一步查明吊鉤斷裂的原因。

2.1 宏觀檢驗

圖2 吊鉤宏觀形貌及鉤尾軸A處斷口形貌

如圖2所示，吊鉤斷裂發(fā)生在鉤尾軸上，A處斷裂面與軸線垂直，具有典型雙彎曲疲勞斷裂特征。用1%稀鹽酸清洗斷口表面銹跡，可見斷裂源位于軸表面，呈現(xiàn)多源斷裂特征，裂紋擴(kuò)展區(qū)具有較清晰的貝殼狀條紋。體視顯微鏡下觀察斷口表面，斷口B處可見明顯加寬的機(jī)加工痕跡，斷口C處可見多源疲勞臺階。經(jīng)測量軸外徑為84 mm，螺紋根部斷口直徑為69 mm，左側(cè)斷口疲勞區(qū)最大寬度為15 mm，右側(cè)斷口疲勞區(qū)最大寬度為22 mm，中間瞬斷區(qū)最大寬度為32 mm，疲勞斷口呈現(xiàn)不對稱分布，說明兩側(cè)受力不一致。

2.2 低倍檢驗

切取近斷口部位鉤尾圓軸形樣品，機(jī)加工成低倍試樣，經(jīng)50%熱鹽酸水溶液腐蝕10 min，取出，沖洗，吹干，經(jīng)肉眼觀察可見局部錠形偏析區(qū)存在變形，試樣表面可見3組對稱分布的缺口，經(jīng)觀察缺口側(cè)面為矩形壓痕（壓痕一側(cè)深，另一側(cè)較淺）。

2.3 電鏡斷口檢驗

將斷口放入掃描電鏡中觀察，斷口均含多個表面斷裂源，存在明顯環(huán)形的機(jī)加工痕跡，斷口外沿可見多個細(xì)小臺階，這是由于軸部與螺紋尾部過渡處R角太小造成應(yīng)力集中，而尖銳的機(jī)加工刀痕使應(yīng)力集中更嚴(yán)重，從而產(chǎn)生多源疲勞裂紋，隨著裂紋擴(kuò)展至彼此相連時，在不同平面間的連接處形成了疲勞臺階，疲勞臺階越多，表示應(yīng)力越大或其應(yīng)力集中程度越大。

裂紋源區(qū)放大后可見明顯疲勞輝紋，最后瞬斷區(qū)的斷口形貌呈河流花樣，出現(xiàn)脆性解理斷裂特征。

2.4 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀在低倍試樣上進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，滿足GB 10051.1—1988中DG20鋼標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)成分。

表1 鋼的化學(xué)成分

2.5 硬度分析

在低倍試樣上進(jìn)行HBW硬度分析，從表面到心部取3個硬度測試點，測定值分別為109 HBW，108 HBW，109 HBW，試驗結(jié)果表明從表面到心部硬度均勻一致無明顯差異。

2.6 金相檢驗

從試樣表面到心部取2件金相樣品（金相圖略），其中表面樣品包含壓痕，編號為1#，心部樣品包含樣品中心位置，編號為2#，經(jīng)磨制、拋光、腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下觀察可見，1#試樣縱向面非金屬夾雜物評級結(jié)果為A類0.5級、B類0級，C類0級、D類0.5級、DS類0級，1#橫向試樣邊部無明顯脫碳層存在，壓痕周圍組織均勻一致無變形，基體組織為鐵素體+少量珠光體組織，但1#試樣存在較多不規(guī)則的柱狀晶粒。2#試樣晶粒相對均勻，基體組織為鐵素體+少量珠光體組織。吊鉤通常采用鍛造+熱處理的方式獲得正常等軸的鐵素體+珠光體組織，可提高吊鉤的強度，該吊鉤存在明顯柱狀晶組織，說明該吊鉤的顯微組織主要為鑄造組織。

3 改造措施

改造后的吊環(huán)見圖3。

（1）取消原16 t吊鉤組和吊鉤橫梁，用吊環(huán)和軸代替，吊環(huán)選用長吊環(huán)CH35，尺寸為 400 mm×120 mm×35 mm，額定載荷16.75 t，軸依據(jù)原安裝圖進(jìn)行設(shè)計選取軸徑100 mm，材料35CrMo，調(diào)質(zhì)后硬度為（269～341）HB。

（2）為使吊環(huán)定位，設(shè)計隔套，內(nèi)孔直徑100 mm，外徑120 mm，與吊環(huán)接觸處設(shè)計止擋，外徑160 mm，材料選用45#鋼。

（3）同時為避免吊環(huán)擺動時造成軸的磨損，設(shè)計襯套，材料45#鋼。

（4）翻廢物槽或吊裝物品時，直接用相應(yīng)卸扣與吊環(huán)連接即可吊運物體。

圖3 改造后的吊環(huán)

4 結(jié)論及效果

（1）吊鉤的雙疲勞斷裂為鉤尾軸螺紋跟部圓弧機(jī)加工痕及加工圓角小，吊鉤使用時歪斜、材料為鑄態(tài)組織共同作用的結(jié)果。

（2）加大吊鉤頸部直徑，原16 t吊鉤頸部最小直徑為68 mm，將其擴(kuò)大到78 mm，從而有效提高吊鉤靜強度和疲勞強度。

（3）綜合檢驗分析可知，吊鉤化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，低倍組織均勻，心部到中心部位的硬度均勻，非金屬夾雜物細(xì)小。低倍試樣上錠形偏析區(qū)存在局部變形，柱狀區(qū)的金相微觀組織為柱狀晶組織，說明該吊鉤經(jīng)過微量變形，但主要為鑄造組織，降低了吊鉤的使用強度。

（4）由斷裂位置可知，鉤尾軸螺紋跟部圓弧處是橫截面積發(fā)生突變的部位，也就是應(yīng)力比較集中的地方，對圓角的設(shè)計、加工極為重要，圓角的設(shè)計加工過小或加工不符合設(shè)計要求，都有可能造成應(yīng)力集中，成為疲勞斷裂的起源。吊鉤在作業(yè)過程中，由于存在起吊傾斜角和吊運時前后擺動，使軸部兩側(cè)承受了拉、壓應(yīng)力，促使裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致了吊鉤發(fā)生了不對稱的雙向彎曲疲勞斷裂。

（5）吊鉤凹槽處應(yīng)力集中，如果材料選擇不當(dāng)，強度級別偏低就容易導(dǎo)致吊鉤斷裂，吊鉤材料可選擇強度級別較高的T級別35CrMo，同時要求吊鉤在工作中嚴(yán)禁超載并且起吊要緩慢，避免產(chǎn)生沖擊載荷。

（6）取消原16 t吊鉤組和吊鉤橫梁，采用長吊環(huán)的方式吊裝物品，可以完全避免吊鉤歪斜帶來的附加載荷而引起的吊鉤斷裂。改造后的吊環(huán)使用效果較好，未再發(fā)生類似吊鉤的斷裂問題。