橋式起重機(jī)軸的失效分析

摘 要：本文對(duì)某橋式起重機(jī)的軸進(jìn)行了失效分析。軸在鍵槽中斷裂，有疲勞跡象。分析采用化學(xué)分析、微觀(guān)結(jié)構(gòu)表征、顯微組織、硬度測(cè)量和有限元模擬等方法。顯微組織主要為回火馬氏體，發(fā)現(xiàn)大量氧化物、微孔和硫化錳包裹體。由于鍵槽的寬度和高度設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，鍵槽的幾何結(jié)構(gòu)也促進(jìn)了裂紋的產(chǎn)生。分析結(jié)果表明，這些因素都會(huì)導(dǎo)致疲勞失效。建議首先保證材料的化學(xué)成分和微觀(guān)結(jié)構(gòu)。其次，在鑄鋼過(guò)程中加入鎂或鈣，以獲得更好的夾雜物形狀控制，最后達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)推薦的幾何參數(shù)，避免高應(yīng)力集中系數(shù)。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)軸；視覺(jué)攝影檢查；有限元分析

1 橋式起重機(jī)軸的特性

軸用于將動(dòng)力傳遞到其他機(jī)械元件，并且通常承受扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷。起重機(jī)常年工作在柏油路、沙質(zhì)土或粘土的路面上，對(duì)動(dòng)力性能要求較高。而軸荷對(duì)動(dòng)力性能的影響很大，這是因?yàn)樵谝欢ǖ母街禂?shù)下，軸荷決定扭矩大小，由于全地面起重機(jī)軸數(shù)多，軸距大，扭矩分配是否合理會(huì)對(duì)整車(chē)動(dòng)力性能產(chǎn)生很大影響，若扭矩分配不合理，會(huì)引起車(chē)輪滑轉(zhuǎn)，產(chǎn)生功率循環(huán)，造成動(dòng)力傳遞效率下降，加速輪胎的磨損，不利于動(dòng)力性能的改善軸中最常見(jiàn)的失效機(jī)制之一是疲勞。疲勞失效始于脆弱點(diǎn)，其中存在有利于高局部應(yīng)力的冶金和結(jié)構(gòu)缺陷。通常，軸中的應(yīng)力集中點(diǎn)存在于橫截面積或鍵槽的急劇變化中。此外，當(dāng)這些敏感部位出現(xiàn)缺陷時(shí)，疲勞壽命會(huì)嚴(yán)重受損。本文對(duì)軸進(jìn)行了其他失效分析，特別是與鍵槽拐角有關(guān)，其中疲勞失效開(kāi)始的主要原因是由于鍵槽曲率半徑小，夾雜物，修復(fù)焊接不正確，脆性微觀(guān)結(jié)構(gòu)和加工痕。所有這些故障都存在于軸的整個(gè)橫截面上，并從鍵槽的拐角處開(kāi)始。在這種失效分析中，只有鍵槽的一側(cè)因疲勞而完全斷裂，而不是整個(gè)橫截面。此外，這種類(lèi)型的故障多年來(lái)一直在這種機(jī)械元件中反復(fù)出現(xiàn)。分析的軸（更換部件）屬于在運(yùn)行一年后斷裂的橋式起重機(jī)。從根本上說(shuō)，橋式起重機(jī)系統(tǒng)包括一個(gè)向軸傳輸動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)，該軸將動(dòng)力傳遞給減速器齒輪箱。鍵槽連接系統(tǒng)的制動(dòng)器。根據(jù)制造商提供的材料規(guī)格，材料是AISI 4340鋼經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化和回火處理。發(fā)動(dòng)機(jī)功率為3.73 kW，轉(zhuǎn)速為600至1800 rpm。

本文的研究是確定這種軸（幾乎所有行業(yè)中常用的一種元件）發(fā)生故障的原因，以防止可能導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備損壞的類(lèi)似故障，同樣重要的是保證工業(yè)工人的安全。使用化學(xué)分析，目視檢查，斷口，金相分析，硬度測(cè)量和有限元模擬進(jìn)行分析。軸的化學(xué)分析通過(guò)光學(xué)發(fā)射光譜法（ARL 3460 Advantage光譜儀）進(jìn)行；通過(guò)使用立體鏡（Nikon SMZ1000）和掃描電子顯微鏡（Jeol jsm-6490LV）進(jìn)行斷口攝影；對(duì)于金相學(xué)，樣品被拋光和蝕刻（2%Nital試劑在40秒內(nèi)），微壓痕Vickers在10秒期間使用10g并且10次壓痕用于硬度測(cè)定。

2 視覺(jué)和立體攝影檢查

鍵槽的一個(gè)邊緣斷裂顯示了裂縫的一些重要特征：鍵槽上的加工痕跡，裂紋起源，疲勞傳播區(qū)，最終的塑性變形斷裂帶。此外，在鍵槽中可以注意到縱向標(biāo)記，在斷裂區(qū)附近具有塑性變形的特征。加工痕跡影響疲勞裂紋的成核。此外，鍵槽中的縱向標(biāo)記可能是在鑰匙放入鍵槽時(shí)引起的，在鍵槽的拐角處產(chǎn)生了額外的損壞。此外，棘輪痕跡，是局部應(yīng)力高的證據(jù)。鍵槽另一側(cè)的二次裂紋生長(zhǎng)，因?yàn)檩S必須承受的扭矩是可逆的。這種扭矩交替促進(jìn)了鍵槽每個(gè)角落的應(yīng)力變化，最終導(dǎo)致疲勞失效。鍵槽半徑測(cè)量為0.6 mm，軸直徑為25.4 mm；因此，r / d比為0.024。使用該比率，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化鍵槽，發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力集中系數(shù)（Kts）為2.52。國(guó)標(biāo)建議傳遞扭矩時(shí)，最大應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)2.6。但是，相同標(biāo)準(zhǔn)推薦的鍵槽寬度為6.3 mm，但軸的鍵槽寬度值為9.1 mm。同樣，鍵槽高度必須為3.2 mm，但軸的鍵槽高度值為3.3 mm。

從軸斷裂區(qū)切下樣品。將該樣品金相制備并在光學(xué)顯微鏡下在未蝕刻和蝕刻條件下觀(guān)察。沒(méi)有蝕刻的微觀(guān)結(jié)構(gòu)顯示出大量的缺陷，例如微孔和非金屬夾雜物。另外，在斷裂區(qū)附近的軸的縱向上發(fā)現(xiàn)了細(xì)長(zhǎng)的硫化錳夾雜物。MnS夾雜物平均長(zhǎng)度約為112±2mm；這種包涵促進(jìn)了斷裂的發(fā)生。

這些夾雜物在顯微鏡下影響應(yīng)力分布，有利于裂紋成核；因此，重要的是引入與疲勞裂紋擴(kuò)展的閾值相關(guān)的臨界夾雜物尺寸參數(shù)。這個(gè)臨界值約為50-100毫米。然而，當(dāng)夾雜物剛好在表面下方時(shí)，小于45mm的夾雜物會(huì)導(dǎo)致疲勞斷裂。在斷裂帶附近發(fā)現(xiàn)了大于這些值的夾雜物。微觀(guān)結(jié)構(gòu)顯示出回火馬氏體和一些鐵素體晶粒，這些晶?？赡芘c高溫淬火或長(zhǎng)時(shí)間的回火有關(guān)。雖然這種微觀(guān)結(jié)構(gòu)顯然是足夠的，因?yàn)樗華ISI 4140的其他回火微觀(guān)結(jié)構(gòu)具有更高的塑性誘導(dǎo)裂紋閉合傾向和低裂紋擴(kuò)展，但屈服強(qiáng)度和硬度幾乎急劇下降到初始值的一半，影響了最初設(shè)計(jì)的疲勞壽命。此外，疲勞裂紋在最有利于應(yīng)變的區(qū)域中成核并傳播，隨著回火溫度的升高，這種現(xiàn)象更加明顯。

中心區(qū)和裂縫附近的顯微硬度測(cè)量結(jié)果顯示兩個(gè)區(qū)域的硬度測(cè)量值相似。該硬度與制造商規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)化和回火的AISI 4340鋼不一致。預(yù)計(jì)硬度高，類(lèi)似于回火馬氏體在425℃時(shí)的硬度。此外，這些硬度值可能與AISI 4140鋼的硬度相關(guān)，當(dāng)在595-650℃回火2小時(shí)。

軸的測(cè)量和指定成分分析可以發(fā)現(xiàn)化學(xué)成分的差異，特別是沒(méi)有鎳，產(chǎn)生兩個(gè)條件：屈服強(qiáng)度低于AISI 4340鋼和材料的不同響應(yīng)（微觀(guān)結(jié)構(gòu)。當(dāng)進(jìn)行相同的AISI 4340熱處理時(shí)，特別是鎳的缺乏可能有利于擴(kuò)散過(guò)程，并且在比AISI 4340更低的回火溫度和保持時(shí)間下促進(jìn)一些鐵素體晶粒的形成。

3 有限元分析（FEA）

本文使用有限元分析的靜態(tài)和彈性模型以?xún)煞N幾何形狀進(jìn)行：（1）具有標(biāo)準(zhǔn)推薦幾何尺寸的軸，（2）軸中具有幾何尺寸的軸。確定了不同幾何形狀對(duì)扭轉(zhuǎn)軸的理論應(yīng)力集中系數(shù)（Kts）和疲勞缺口系數(shù)（Kf）的影響。需要注意的時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)僅顯示Kts因子如何隨標(biāo)準(zhǔn)軸幾何形狀的鍵槽半徑而變化；因此，需要對(duì)這種不規(guī)則的軸幾何進(jìn)行有限元分析。使用鍵槽上部區(qū)域中的二次四面體單元，并在軸的其余部分使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。鍵槽的半徑，寬度和高度都經(jīng)過(guò)精煉。轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)和位移受到軸齒輪區(qū)域的限制。扭轉(zhuǎn)載荷以均勻的壓力形式施加在鍵槽的選定面上。

根據(jù)有限元分析的結(jié)果，得到了修正幾何形狀的最大應(yīng)力和標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀的最大應(yīng)力，證實(shí)了由鍵槽寬度和高度的不規(guī)則尺寸產(chǎn)生的實(shí)際應(yīng)力集中系數(shù)（Kts = 5.54）高于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)推薦的最大應(yīng)力集中系數(shù)，用于標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀的軸中鍵槽半徑（Kts = 2.6）。材料的疲勞缺口敏感性估計(jì)為0.93；因此，疲勞缺口系數(shù)（Kf）從標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀增加到修改幾何形狀的1164%，使疲勞安全系數(shù)降低53.4%。

4 總結(jié)

本研究分析了橋式起重機(jī)軸的故障，分析結(jié)論如下。立體檢查顯示骨折表面存在棘齒痕跡，斷口檢查顯示條紋；所有這些證據(jù)表明軸因疲勞而斷裂。軸材料不符合化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，微觀(guān)結(jié)構(gòu)不適合這種應(yīng)用，因?yàn)樗哂械偷臋C(jī)械性能和靠近斷裂區(qū)域的大量缺陷。具體而言，研究發(fā)現(xiàn)MnS夾雜物的長(zhǎng)度高于臨界夾雜物尺寸參數(shù)值，這導(dǎo)致疲勞壽命急劇下降。應(yīng)力集中系數(shù)高于推薦值，鍵槽寬度和高度變化的影響使應(yīng)力集中系數(shù)增加116.4%，疲勞安全系數(shù)降低53.4%?；谝陨戏治觯疚奶岢鲆韵陆ㄗh：使用適當(dāng)?shù)牟牧希ūＷC化學(xué)成分和微觀(guān)結(jié)構(gòu)）。在鋼鑄造過(guò)程中使用鎂或鈣添加劑以獲得更好的夾雜物形狀控制或使用真空熔化。使用標(biāo)準(zhǔn)鍵槽推薦的幾何形狀可以最大限度地減少應(yīng)力集中，并嘗試減少機(jī)器痕跡。

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作者簡(jiǎn)介：黃湃（1986-），男，廣東人，本科，助理工程師，廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院。