紅沿河核電廠揚(yáng)修電動(dòng)頭力矩曲拐設(shè)計(jì)缺陷處理

周盛男,許皓程,肖 斌,于 威,宋 伸,白潤(rùn)興 宋英祿

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116110)

2017年3月24日,主控執(zhí)行EIE 03試驗(yàn)時(shí)操作H3RRI170VN時(shí)無(wú)法關(guān)閉，聯(lián)動(dòng)閥H3RR￣I177VN動(dòng)作正常。就地檢查H3RRI170VN在全開位置，電動(dòng)頭關(guān)力矩動(dòng)作未復(fù)位。手動(dòng)復(fù)位后，電動(dòng)頭自動(dòng)關(guān)閉(存在自動(dòng)關(guān)信號(hào))。針對(duì)這一事件，通過(guò)梳理事件時(shí)序，設(shè)備運(yùn)行檢修信息，分析故障原因，評(píng)估故障影響。

1 故障發(fā)生背景

2017年3月24日,主控執(zhí)行EIE 03試驗(yàn)時(shí)操作H3RRI170VN時(shí)無(wú)法關(guān)閉，聯(lián)動(dòng)閥H3RRI177VN動(dòng)作正常。就地檢查H3RRI170VN在全開位置，電動(dòng)頭關(guān)力矩動(dòng)作未復(fù)位。手動(dòng)復(fù)位后，電動(dòng)頭自動(dòng)關(guān)閉(存在自動(dòng)關(guān)信號(hào))。拆回檢修間校驗(yàn)力矩初始值為10 Nm，調(diào)大關(guān)力矩至30 Nm后，關(guān)凸輪可以正常復(fù)位。解體檢查現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)頭曲拐，曲拐前端及蝸桿兩側(cè)存在磨損，測(cè)量磨損曲拐前端：3.30 mm，測(cè)量正常曲拐前端：4.0 mm，蝸桿卡槽：4.50 mm。判斷曲拐磨損是導(dǎo)致力矩?zé)o法復(fù)位的直接原因。

2 故障原因分析

2.1 電動(dòng)頭機(jī)械動(dòng)作原理

力矩動(dòng)作：

電機(jī)輸出動(dòng)力，通過(guò)電機(jī)蝸桿傳至蝸輪，最終傳至主軸，從而開關(guān)閥門。當(dāng)主軸受力并大于碟簧的預(yù)緊力時(shí)，電機(jī)蝸桿偏離中心位置將作軸向移動(dòng)，帶動(dòng)曲拐發(fā)生移動(dòng)，并將位移傳遞給力矩凸輪。當(dāng)超過(guò)設(shè)定力矩時(shí)，凸輪將使力矩開關(guān)動(dòng)作，電動(dòng)頭停止運(yùn)行。電動(dòng)頭內(nèi)部機(jī)構(gòu)見圖1。

力矩釋放：

當(dāng)閥門開閥時(shí)，隨著主軸上的負(fù)載減小，在碟簧彈力的作用下，驅(qū)使蝸桿恢復(fù)中心位置并帶動(dòng)曲拐，將位移傳遞給力矩凸輪，從而釋放力矩開關(guān)。

圖1 H3RRI170VN電動(dòng)頭內(nèi)部機(jī)構(gòu)圖Fig.1 The internal mechanism of H3RRI170VN electric head

2.2 解體檢查情況

解體檢查現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)頭曲拐，曲拐前端及蝸桿兩側(cè)存在磨損，測(cè)量磨損曲拐前端：3.30 mm，測(cè)量正常曲拐前端：4.0 mm，蝸桿卡槽：4.50 mm。曲拐與蝸桿的間隙越大，蝸桿越不容易驅(qū)動(dòng)曲拐使力矩釋放。解體后見圖2所示。

圖2 H3RRI170VN解體后的測(cè)量數(shù)據(jù)Fig.2 The measurement data after the disintegration of H3RRI170VN

如下是揚(yáng)修廠家答復(fù)該型號(hào)電動(dòng)頭力矩與碟簧壓縮量的關(guān)系見表1。

表1 力矩與碟簧壓縮量的關(guān)系

根據(jù)檢修間校驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)初始值為10 Nm，對(duì)應(yīng)碟簧的形變量為1.2 mm。測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)頭蝸桿卡槽與磨損曲拐的間隙：卡槽與磨損曲拐的間隙：4.50 mm-3.30 mm=1.20 mm；

卡槽與未磨損曲拐的間隙：4.50 mm-4.0 mm=0.50 mm；

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可得：當(dāng)曲拐卡槽的間隙不小于力矩動(dòng)作時(shí)碟簧的形變量時(shí)，曲拐由于摩擦等因素?zé)o法驅(qū)動(dòng)凸輪脫開力矩開關(guān)，電動(dòng)頭力矩開關(guān)就不復(fù)位。曲拐磨損位置放大圖見圖3。

圖3 曲拐磨損位置放大圖片F(xiàn)ig.3 The enlarged picture of the crank wear position

2.3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證曲拐磨損對(duì)力矩開關(guān)的影響，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了如下三個(gè)實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)一：領(lǐng)取全新備件電動(dòng)頭在檢修間進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

1)將備件電動(dòng)頭調(diào)整關(guān)閉力矩至10 Nm，力矩動(dòng)作后可以復(fù)位。

2)將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備關(guān)閉力矩調(diào)整至10 Nm，力矩開關(guān)動(dòng)作后無(wú)法復(fù)位。

實(shí)驗(yàn)二：領(lǐng)取現(xiàn)場(chǎng)2C解體退庫(kù)備件電動(dòng)頭在檢修間進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

1)將電動(dòng)頭關(guān)閉力矩調(diào)整至10 Nm，力矩開關(guān)動(dòng)作后無(wú)法復(fù)位。

2)增大電動(dòng)頭力矩，將電動(dòng)頭關(guān)閉力矩調(diào)整至16 Nm后，力矩開關(guān)可正常復(fù)位。

3)繼續(xù)增大力矩至25 Nm和60 Nm時(shí)，力矩開關(guān)均可正常復(fù)位。

實(shí)驗(yàn)三：最小力矩復(fù)位實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證磨損與力矩復(fù)位之間的關(guān)系。

1)將現(xiàn)場(chǎng)故障的H3RRI170VN電動(dòng)頭解體回裝，電動(dòng)頭最小復(fù)位力矩值為26 Nm。

2)模擬現(xiàn)場(chǎng)磨損，沿原磨損面繼續(xù)輕微打磨，驗(yàn)證電動(dòng)頭最小復(fù)位力矩值增大至32 Nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

說(shuō)明：10 Nm為H3RRI170VN現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)頭初始值；25 Nm為揚(yáng)修現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置最小力矩。經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以說(shuō)明：曲拐的磨損可以影響力矩開關(guān)的復(fù)位，隨著曲拐磨損量的增大，所需的復(fù)位力矩越大；當(dāng)曲拐磨損量達(dá)到一定程度后，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定力矩值較小的電動(dòng)頭，將出現(xiàn)力矩?zé)o法復(fù)位的現(xiàn)象。

綜上，電動(dòng)頭力矩?zé)o法復(fù)位的直接原因?yàn)椋弘妱?dòng)頭曲拐異常磨損造成曲拐與蝸桿卡槽的間隙增大，蝸桿恢復(fù)中心位置時(shí)不能驅(qū)動(dòng)曲拐使關(guān)力矩凸輪正常復(fù)位。

3 曲拐材質(zhì)分析

3.1 成分分析

為了研究曲拐為何會(huì)異常磨損，委托技術(shù)處金屬實(shí)驗(yàn)室對(duì)H3RRI170VN現(xiàn)場(chǎng)故障電動(dòng)頭的曲拐進(jìn)行合金成分分析、硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)等工作。

廠家反饋曲拐材質(zhì)為鉻釩合金工具鋼，蝸桿為40Cr合金鋼。利用Spectro X-sort手持式X射線熒光光譜儀對(duì)曲拐及蝸桿進(jìn)行主合金元素分析，結(jié)果見表3。由檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，曲拐材料成分中的元素V及蝸桿的材料成分中的Cr元素近乎微量，由于廠家并未明確曲拐材料牌號(hào)，因此與標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1299—2014《工模具鋼》中鉻釩合金工具鋼做對(duì)比，曲拐材料可能為9Cr2或Cr2，蝸桿材質(zhì)接近于碳鋼，與廠家所反饋材質(zhì)信息明顯不符。

表3 化學(xué)成分分析結(jié)果

3.2 硬度檢驗(yàn)

由于曲拐試樣截面面積不足0.5 cm2樣，不滿足洛氏硬度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)送檢曲拐取樣在橫截面進(jìn)行顯微維氏硬度試驗(yàn)，測(cè)試設(shè)備為HV-1000顯微維氏硬度計(jì)，試驗(yàn)條件：負(fù)荷0.98 kgf，負(fù)荷保持時(shí)間10 s，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 布氏硬度(HBW)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)ASTM E140 REVB Y2012 Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knop Hardness, Scleroscope Hardness, and Leeb Hardness標(biāo)準(zhǔn)中顯微維氏硬度與洛氏硬度之間的換算關(guān)系，274 HV1相當(dāng)于26 HRC。明顯低于GB/T 1299—2014《工模具鋼》中對(duì)鉻釩鋼的硬度要求值60 HRC。

3.3 金相檢驗(yàn)

根據(jù)GB/T 13299—1991 (鋼的顯微組織評(píng)定方法)對(duì)送檢曲拐取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，侵蝕劑為4%硝酸酒精，在Axio Scope A1金相顯微鏡下觀察，如圖4所示，曲拐金相組織為球狀珠光體，為退火態(tài)組織形貌。

3.4 檢驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)對(duì)送檢的H3RRI170VN曲拐、蝸桿進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)、成分分析、硬度及金相檢驗(yàn)，結(jié)合廠家反饋的相應(yīng)材料信息，送檢曲拐及蝸桿均存在如下偏差，具體如下：

1)曲拐及蝸桿成分均不符合廠家反饋的材料信息，曲拐中元素釩的含量明顯低于標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鉻釩合金鋼中釩的要求，釩在工模具鋼中的主要作用是細(xì)化晶粒提高其耐磨性，蝸桿材質(zhì)為碳鋼；

2)曲拐顯微維氏硬度為274 HV1，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E140 REVB Y2012換算后曲拐的洛氏硬度約為26 HRC，明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求的≥60 HRC；

3)曲拐金相組織為均勻分布的球狀珠光體，為含鉻合金鋼球化退火態(tài)組織。

開關(guān)動(dòng)作過(guò)程中，曲拐主要承受摩擦力，結(jié)合上述分析結(jié)論，導(dǎo)致曲拐異常磨損的主要原因應(yīng)為制造曲拐所用材質(zhì)不滿足廠家提供的技術(shù)信息要求，在制造過(guò)程中未經(jīng)淬火處理導(dǎo)致曲拐硬度明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求，降低了其耐磨性，在運(yùn)行過(guò)程中因磨損而導(dǎo)致其最終失效。

4 廠家設(shè)計(jì)澄清

經(jīng)過(guò)上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以說(shuō)明H3RRI170VN電動(dòng)頭關(guān)力矩動(dòng)作未復(fù)位的直接原因?yàn)榍漳p，根本原因?yàn)榍蘸臀仐U的材質(zhì)及淬火方式存在設(shè)計(jì)缺陷，不滿足硬度要求。

將缺陷分析過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)論反饋給揚(yáng)修制造廠后，得到了廠家人員的認(rèn)可，承諾進(jìn)行曲拐熱處理工藝試驗(yàn)并調(diào)查曲拐及蝸桿材質(zhì)問(wèn)題。

2017年5月25日，收到廠家對(duì)曲拐進(jìn)行的三種不同熱處理工藝的試驗(yàn)對(duì)比。試驗(yàn)分別選用原曲拐、火焰淬火曲拐及高頻淬火曲拐，對(duì)三種曲拐進(jìn)行硬度測(cè)試，其中原曲拐硬度<15 HRC；火焰淬火曲拐效果不理想，性能也不穩(wěn)定，硬度在20～60 HRC之間；經(jīng)過(guò)高頻淬火的曲拐性能較穩(wěn)定，硬度在50～60 HRC之間。最終選擇高頻淬火作為曲拐的熱處理工藝，提高硬度，并重新進(jìn)行壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)后解體檢查磨損情況。

2017年8月14日，廠家對(duì)曲拐及蝸桿材質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行了答復(fù)，并制作新曲拐進(jìn)行了10 000次的壽命試驗(yàn)，具體內(nèi)容如下：

1)查閱蝸桿圖紙，原設(shè)計(jì)材質(zhì)為45鋼，鑒定試驗(yàn)樣機(jī)的蝸桿也為45鋼，經(jīng)過(guò)鑒定試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)驗(yàn)證，各方面性能滿足要求。2010年8月，為了提高產(chǎn)品品質(zhì)，將材質(zhì)變更為45Cr。由電裝出廠編碼104110148追溯至完工資料，蝸桿材質(zhì)為45鋼。曲拐為非關(guān)鍵件，材質(zhì)CrV鋼，未放入資料中。

2)2017年4月收到現(xiàn)場(chǎng)反饋后，揚(yáng)修組織相關(guān)部門進(jìn)行了原因分析和技術(shù)審查，對(duì)曲拐零件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：明確曲拐材質(zhì)為115CrV3(DIN17350)、局部表面淬火，硬度達(dá)到HRC50-60。使用新工藝曲拐組裝樣機(jī)進(jìn)行10 000次壽命試驗(yàn)，解體檢查未見曲拐和蝸桿槽有明顯磨損。

5 結(jié)論

由于曲拐材質(zhì)及熱處理方式存在設(shè)計(jì)問(wèn)題，導(dǎo)致曲拐硬度偏低，在與旋轉(zhuǎn)的蝸桿接觸時(shí)發(fā)生磨損，曲拐與蝸桿卡槽的間隙增大，蝸桿恢復(fù)中心位置時(shí)不能驅(qū)動(dòng)曲拐使關(guān)力矩凸輪正常復(fù)位。

上述設(shè)計(jì)缺陷得到揚(yáng)修廠家的認(rèn)可，揚(yáng)修廠已完成新曲拐的升級(jí)，明確新曲拐的材質(zhì)及熱處理方式，并經(jīng)10 000次壽命試驗(yàn)驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)新曲拐出現(xiàn)磨損。后續(xù)將逐步用新曲拐替代舊曲拐。