一起門座起重機(jī)斷軸原因解析及預(yù)防

顏朝友

(福建省特種設(shè)備檢驗研究院，福建 福州 350008)

1 前言

2018年4月，福州某大型港口1臺40噸門座起重機(jī)發(fā)生大車行走臺車上的哈夫鉸軸斷軸，如圖1所示?，F(xiàn)場了解，該門座在工作過程中由于司機(jī)操作不當(dāng)，與隔壁臺門座發(fā)生碰撞，導(dǎo)致該臺門座大車臺車上4根哈夫鉸軸當(dāng)場斷軸，2根哈夫鉸軸斷裂嚴(yán)重，設(shè)備損壞嚴(yán)重，無法運(yùn)行。文中通過現(xiàn)場勘察，并從哈夫鉸工作原理及哈夫鉸受力情況的源頭進(jìn)行分析，解析斷軸發(fā)生的主要原因，給出整改和預(yù)防措施，避免使用過程中再次出現(xiàn)類似故障，導(dǎo)致起重機(jī)發(fā)生傾覆的嚴(yán)重后果，避免企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 大車行走臺車上哈夫鉸軸發(fā)生斷軸

1.1 哈夫鉸工作原理及優(yōu)點

大型門座起重機(jī)、造船門式起重機(jī)、大型冶金橋式起重機(jī)和岸邊集裝箱橋式起重機(jī)等大型起重機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)，通常由于起重機(jī)自重很重再加上起吊大噸位載荷，需要多組車輪來均衡大車輪壓，大車行走機(jī)構(gòu)通常采用了多組臺車與均衡梁鉸接的結(jié)構(gòu)[1]，如圖2所示為雙軌式大車走行機(jī)構(gòu)部分結(jié)構(gòu)圖，其中與大車行走車輪連接均采用了哈夫鉸連接（圖中1、2為哈夫鉸），大車臺車驅(qū)動車輪行走，通過圖中1、2哈夫鉸連接，多級傳動，驅(qū)動整個起重機(jī)行走。

圖3為哈夫鉸主要構(gòu)成圖，當(dāng)臺車水平轉(zhuǎn)角和側(cè)向位移需要調(diào)整時，可以通過調(diào)整螺栓在下鉸座長形通孔中的位置來進(jìn)行調(diào)整。這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點是，由于哈夫鉸可以小角度的調(diào)整，相當(dāng)于一個活動關(guān)節(jié)，當(dāng)遇到大車軌道有小偏差時，哈夫鉸可以調(diào)整，防止起重機(jī)啃軌問題的出現(xiàn)[2]。同時這種結(jié)構(gòu)對更換臺車內(nèi)部零件也比較方便，只需用千斤頂把平衡梁頂起一段距離，臺車組就可以取出,方便維修和更換。

圖2 雙軌式大車走行機(jī)構(gòu)部分結(jié)構(gòu)圖

圖3 哈夫鉸主要結(jié)構(gòu)圖

1.2 哈夫鉸軸的受力分析

圖4 哈夫鉸軸受力分析

圖4為哈夫鉸在正常工作情況下的受力分析圖，從圖中可見，哈夫鉸在起重機(jī)尺寸安裝位置合理情況下，是不受大車驅(qū)動時的剪力，大車臺車的驅(qū)動力矩通過自重（包括載荷）與哈夫鉸聯(lián)接面之間的摩擦力矩一級一級帶動，來驅(qū)動起重機(jī)行走，因此哈夫鉸的設(shè)計計算也主要驗算接觸面的擠壓強(qiáng)度。

2 斷軸原理分析

2.1 斷軸位置及斷口分析

圖5為發(fā)生斷軸的位置以及斷口的形狀，呈現(xiàn)比較明顯的高周疲勞斷裂，即有明顯的三個區(qū)域：疲勞源，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)。一、疲勞源區(qū)顯得比較光亮，這是疲勞裂紋產(chǎn)生后,在交變應(yīng)力作用下裂紋面反復(fù)摩擦導(dǎo)致；二、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)貝殼狀(或海灘狀) 的條紋，此條紋是疲勞裂紋從疲勞源處開始不斷向前推進(jìn)留下的痕跡；三、瞬時斷裂區(qū)，軸此區(qū)的斷口顯得高低不平，非常粗糙，并且沒有任何摩擦的痕跡。斷軸分析可見，斷軸位置開始存在著表面裂紋，而從圖4哈夫鉸軸受力分析可知，哈夫鉸軸正常情況是不受交變應(yīng)力作用的，即斷口位置通常是不受力或著受力很小，不可能發(fā)生哈夫鉸軸表面裂紋情況，而該臺門座卻發(fā)生4根哈夫鉸軸同時斷掉、2根軸斷裂的嚴(yán)重情況，說明這些哈夫鉸軸在使用過程中，不斷受到交變應(yīng)力的作用，如圖6所示，導(dǎo)致在斷口位置先出現(xiàn)了表面裂紋，而該軸長期處于包裹狀態(tài)，外觀無法檢查，隨著裂紋的擴(kuò)展，斷軸就是遲早的事情，而該臺門座又恰好發(fā)生了碰撞事故，沖擊力非常大，出現(xiàn)了多軸同時斷裂的嚴(yán)重后果。

圖5 斷口位置及斷口形狀

2.2 斷軸原因

2.2.1 安裝的尺寸誤差

由于安裝過程中軌距誤差、頂面高低誤差、坡度、縱向直線度、四點共面度等誤差，導(dǎo)致圖6情況發(fā)生，即哈夫鉸軸與軸套之間發(fā)生傾斜，導(dǎo)致哈夫鉸軸在實際工作中起承擔(dān)傳力的軸，而不是通過摩擦力矩驅(qū)動大車行走，哈夫鉸軸受力端部（斷裂處）受到交變應(yīng)力作用，隨著時間的推移，必然導(dǎo)致哈夫鉸軸出現(xiàn)表面裂紋，裂紋擴(kuò)展到斷裂。

2.2.2 使用過程不當(dāng)

該碼頭處于外海位置，海鹽等對設(shè)備腐蝕較為嚴(yán)重，且使用單位對設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)欠缺，哈夫鉸軸本應(yīng)有一定的自由度來調(diào)整大車臺車位置，但該門座的哈夫鉸軸長期處于忽略保養(yǎng)狀態(tài)，即哈夫鉸軸長期未潤滑，出現(xiàn)軸卡死現(xiàn)象?，F(xiàn)場勘察，該門座起重機(jī)大車軌道有比較明顯的軌道偏差以及軌道高低差，在哈夫鉸軸卡死情況下，哈夫鉸軸也會受到圖6所示的交變應(yīng)力，長期運(yùn)行則容易出現(xiàn)高周疲勞裂紋，在沖擊力作用下，發(fā)生斷軸事故。

圖6 尺寸安裝不當(dāng)，導(dǎo)致哈夫軸起傳力作用

2.2.3 材質(zhì)和加工問題

重要軸通常需要詳細(xì)的設(shè)計計算以及結(jié)構(gòu)設(shè)計，即軸必須有足夠的強(qiáng)度、剛度以及必要的表面強(qiáng)化熱處理，同時也對軸的材質(zhì)和成分有特殊的要求。但是加工過程的加工缺陷以及材質(zhì)選擇不當(dāng)，表面缺失熱處理，軸在使用過程中容易出現(xiàn)應(yīng)力集中和表面強(qiáng)度不夠等缺陷，導(dǎo)致軸發(fā)生斷裂、彎曲等。設(shè)計人員根據(jù)哈夫鉸軸工作原理和受力情況，可能在哈夫鉸軸設(shè)計上按照不受力或者受力較小設(shè)計，制造上該軸可能就是按照非受力軸制造，軸表面未采取調(diào)質(zhì)、淬火等硬化處理，沒有表面強(qiáng)化處理的軸受交變應(yīng)力作用，更容易表面出現(xiàn)裂紋。

當(dāng)然還可能存在其他的原因?qū)е略撻T座起重機(jī)發(fā)生哈夫鉸軸斷裂，但從該門座斷軸情況解析，安裝尺寸偏差和使用不當(dāng),以及軸表面未強(qiáng)化處理是發(fā)生哈夫鉸軸斷裂的主要原因。

2.3 使用修復(fù)和預(yù)防

通過以上哈夫鉸軸原理分析和斷軸原因解析，為了確保設(shè)備安全運(yùn)行，不再發(fā)生類似事故，必須要做好以下三個方面：

（1）對該門座起重機(jī)的安裝尺寸進(jìn)行全面測量，并與制造單位提供的圖紙進(jìn)行比較，特別是需要測量軌距誤差、頂面高低誤差、坡度、縱向直線度、四點共面度等是否與設(shè)計有較大偏差，如有，需要請廠家進(jìn)行修復(fù)調(diào)整。

（2）對斷軸進(jìn)行材料分析，確保未發(fā)生斷裂的軸無材質(zhì)方面的問題，并對未斷裂的軸進(jìn)行無損檢測，特別是斷裂根部位置的表面磁粉檢測。

（3）必要時，通過動態(tài)應(yīng)力測試，對修復(fù)后的軸斷裂處位置進(jìn)行動態(tài)應(yīng)力監(jiān)測，監(jiān)測工作過程中的該位置的受力情況，做到對修復(fù)效果的終端檢測。

3 結(jié)語

哈夫鉸結(jié)構(gòu)具有可以調(diào)整大車臺車位置，避免起重機(jī)啃軌和方便修理等優(yōu)點，常用于大型起重機(jī)上，但是如果存在安裝尺寸偏差過大，使用保養(yǎng)不當(dāng)?shù)葧?dǎo)致哈夫鉸軸發(fā)生斷軸的事故，必須引起起重機(jī)制造、安裝和使用單位的重視，避免類似事故再發(fā)生。