某泥門傳動軸斷裂失效分析

張啟亮，李傲挺，文武

（1.中交上海航道裝備工業(yè)有限公司；2.交通運輸部長江口航道管理局，上海 200000）

傳動軸作為工程應(yīng)用中重要的組成部件，在工作中起到動力輸出的關(guān)鍵性作用，傳動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工安裝質(zhì)量，與整個工作系統(tǒng)能否正常運轉(zhuǎn)息息相關(guān)。近年來，對各種形式傳動軸失效現(xiàn)象的研究引起了廣泛關(guān)注。泥駁是航道疏浚作業(yè)中裝運挖泥船所挖泥沙的重要船只，而泥門裝置是泥駁最重要的結(jié)構(gòu)部件之一。泥門傳動軸的斷裂失效，直接影響泥駁的安全穩(wěn)定工作。本文以長江口某泥駁泥門裝置上的傳動軸在安裝調(diào)試和施工作業(yè)中發(fā)生的斷裂情況為例，展開系統(tǒng)性分析，總結(jié)斷裂失效的原因并提出改進方案，以期對泥駁泥門傳動軸的設(shè)計加工提供理論指導(dǎo)。

1 泥門傳動軸斷裂情況

該泥駁泥門傳動軸裝置及斷裂失效部位示意圖如圖1所示。圖中泥門本體外形尺寸為1950×4050mm，自重約4.5t，泥門關(guān)閉狀態(tài)時，泥門本體與傳動油缸軸線夾角為28°。在安裝調(diào)試與施工作業(yè)中，該泥門傳動軸發(fā)生斷裂失效的部位位于靠油缸側(cè)的連接耳板位置。該耳板的外圓直徑為290mm，銷孔直徑為200mm，耳板厚度為45mm，所用鋼材為1Cr17Ni2鋼。

2 泥門傳動軸斷裂原因分析

2.1 受力分析

（1）對泥門傳動軸斷裂處耳板進行受力分析，當傳動軸被頂住不動時，耳板被油缸硬拉，如圖2所示，耳孔受單向拉力F作用，A—A截面為耳孔的危險截面。

圖1 泥門傳動軸裝置及斷裂失效部位示意圖

圖2 泥門傳動軸斷裂耳板受力分析圖

在斷裂泥門傳動軸耳孔上取拉伸試樣、沖擊試樣和硬度試樣，進行力學(xué)性能檢測。拉伸試樣和沖擊試樣斷口形貌見圖3。發(fā)現(xiàn)拉伸試樣的斷口很平齊，拉伸過程中沒有明顯屈服即發(fā)生斷裂。

表1 傳動軸斷裂耳板鋼力學(xué)性能測試結(jié)果

圖4 泥門關(guān)閉狀態(tài)受力分析

圖3 傳動軸斷裂耳板拉伸和沖擊試樣的宏觀形貌

斷裂耳板鋼材的力學(xué)性能測試結(jié)果如表1所示?？芍摬?Cr17Ni2的實測極限應(yīng)力為：。因此。根據(jù)《起重機設(shè)計手冊》吊鉤組的校核，該計算公式比較保守并包含了較大的安全系數(shù)。因此，該處耳板鋼材選材在力學(xué)角度可以滿足設(shè)計規(guī)范要求，但在不正常工況時也可能發(fā)生損壞。

（2）對泥門關(guān)閉狀態(tài)且泥駁滿載時對泥門本體進行受力分析，如圖4所示。泥門所受的力有：向下的有效泥柱力G1、泥門自重G2和方向向上的浮力G3、泥門油缸力F。四種力的計算如下式所示：

有效泥柱力：G1=有效泥柱面積A×有效泥柱高度H×泥柱密度

泥門自重：G2=4.5t

浮力：G3=有效泥門面積A×水壓力P

泥門油缸力：

此時，泥門油缸為受壓狀態(tài)，油缸參數(shù)280/160—900，對應(yīng)油壓約為10.5MPa。傳動軸各處耳板也是受壓狀態(tài)，且受力很小。因此在正常工況下，泥門傳動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計也能滿足強度要求。

2.2 斷口分析

泥門傳動軸斷口位置未見明顯的塑性變形，表現(xiàn)為脆性斷裂特征。耳孔裂紋最早萌生在焊接處，裂紋源區(qū)斷口形貌以沿晶為主，裂紋在焊縫中也是以沿晶方式擴展，而且焊縫處的顯微組織為焊接淬硬的馬氏體組織，可以判斷裂紋是由于焊接產(chǎn)生的冷裂紋。

在斷裂耳板上取樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。

表2 鋼材化學(xué)成分分析結(jié)果

垂直于斷口截取剖面試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋、化學(xué)侵蝕后，置于顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)金相顯微組織存在較多的網(wǎng)狀分布的鐵素體，和沿晶分布的碳化物。1Cr17Ni2在350～550℃區(qū)間會產(chǎn)生該碳化物。在這個溫度范圍內(nèi)，淬火馬氏體將析出碳化鉻，固溶體因析出碳化鉻而引起局部區(qū)域貧鉻，從而導(dǎo)致耐腐蝕性下降。此外在這個溫度范圍內(nèi)，還會出現(xiàn)脆性。

傳動軸耳孔材料1Cr17Ni2鋼雖是馬氏體不銹鋼中強度與韌性搭配較好的鋼種之一，但由于其含碳量高，焊接工藝要求較高。因為焊接是一個快速加熱與快速冷卻的不平衡冶金過程，焊縫及焊接熱影響區(qū)焊后的組織為硬而脆的馬氏體，硬脆傾向大。當焊接接頭的氫含量較高時，很容易導(dǎo)致冷裂紋的產(chǎn)生。并且由于它的成分特點，當冷卻速度較小時，熔合區(qū)及焊縫金屬會形成粗大鐵素體及沿晶析出碳化物，使焊接接頭的塑韌性顯著降低。所以該材料焊接性能差，焊接時產(chǎn)生了冷裂紋，導(dǎo)致耳孔脆斷失效。

3 結(jié)語

為了探究泥駁泥門傳動軸的斷裂原因，本文對泥門傳動軸斷裂位置進行了受力分析和斷口分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，泥門傳動軸耳板斷裂處是受力薄弱點，雖鋼材選材安全系數(shù)滿足設(shè)計規(guī)范，但在工況異常時容易損壞。在傳動軸加工焊接工藝過程中所造成的焊接冷裂紋，是造成部分泥門傳動軸失效的主要原因。