陳 俊,虞 強

(攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司提釩煉鋼廠,四川攀枝花617000)

鑄造起重機減速器斷軸原因分析

陳 俊,虞 強

(攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司提釩煉鋼廠,四川攀枝花617000)

針對減速器輸入軸(高速軸)的扭矩變化特點、安裝方式、輸入軸加工及外形特點、輸入軸材質(zhì)的選擇以及熱處理(斷軸后的宏觀形貌、金相組織)等進(jìn)行分析,對減速器輸入軸(高速軸)斷軸的原因進(jìn)行分析,并提出在設(shè)備選型、點檢維護(hù)中注意事項。

鑄造起重機;減速器;斷軸分析

1 引言

減速器作為起重運輸機械各個機構(gòu)中的重要傳動部件,性能好壞和壽命長短,將直接影響到整機的使用性能及安全。特別是一些關(guān)鍵設(shè)備諸如鑄造起重機主起升機構(gòu)減速器直接關(guān)系到高溫液態(tài)金屬吊運的安全[1],因此,減速器輸入軸(高速軸)的設(shè)計制造以及日常點檢維護(hù)就顯得尤為重要。

2 存在問題

減速器輸入軸的扭矩變化、減速器的安裝方式、加工、外形特點、材質(zhì)的選擇和熱處理的異常均會導(dǎo)致減速器輸入軸(高速軸)斷軸。

3 原因分析

3.1 扭矩變化

以鑄造起重機主起升機構(gòu)減速器輸入軸(高速軸)以及大車運行機構(gòu)減速器輸入軸(高速軸)扭矩變化特點進(jìn)行說明。

主起升機構(gòu)減速器輸入軸(高速軸)與驅(qū)動電機軸相連,并且減速器輸入軸(高速軸)安裝了4個工作制動器。

主起升機構(gòu)傳動如圖1所示。

圖1 主起升機構(gòu)傳動

鑄造起重機由于工作級別比較高再加上特定的工作環(huán)境和作業(yè)對象——鋼水罐(重罐、空罐、空鉤)決定了主起升機構(gòu)載荷變化很大,并且由于主起升機構(gòu)的工作速度很快,需要頻繁地啟動、停止。在啟動、停止過程中,正常情況下電機可以產(chǎn)生的最大力矩為電機額定轉(zhuǎn)矩的3倍,即:TMAX≤3Te。

因此在加速、減速過程中,主起升機構(gòu)減速器輸入軸(高速軸)承受扭矩變化很大。

如果電機以及控制出現(xiàn)異常,輸入軸(高速軸)承受的最大扭矩更高。

另外在緊急情況下,特別是高速重載運行過程中,如果拍下急停按鈕,此時減速器輸入軸(高速軸)安裝的4個工作制動器工作,正常情況下,減速器輸入軸(高速軸)承受大約TBRAKE≤2.5Te,如果工作制動器調(diào)整不當(dāng),會造成在減速器輸入軸(高速軸)產(chǎn)生更大的制動扭矩。

對于鑄造起重機主起升機構(gòu),還必須考慮到單系統(tǒng)工作時減速器輸入軸(高速軸)承受的最大扭矩變化。

通常情況下,起升機構(gòu)可以按照起升載荷所需扭矩來選用減速器以及減速器輸入軸(高速軸)額定扭矩,上述力矩、扭矩變化即最大扭矩對減速器輸入軸(高速軸)壽命和可靠性,以及可能造成的斷軸需要加以注意。

大車運行機構(gòu)減速器輸入軸(高速軸)扭矩變化的特點,應(yīng)充分考慮啟動、制動時所產(chǎn)生的慣性載荷的影響對大車運行機構(gòu)的減速器輸入軸(高速軸)扭矩變化的影響,即與運行機構(gòu)電機驅(qū)動方式及與之相關(guān)操作人員的操作習(xí)慣密切相關(guān)。如果驅(qū)動電機采用繞線電機,驅(qū)動方式采用轉(zhuǎn)子串電阻方式,操作人員經(jīng)常采用直接“打反車”方式停車或反向運行,在此情況下,減速器輸入軸(高速軸)承受遠(yuǎn)高于設(shè)計要求的扭矩,最終即可能造成斷軸。

因此,需對造成減速器輸入軸(高速軸)可能出現(xiàn)的最大轉(zhuǎn)矩以及出現(xiàn)頻率加以注意。

3.2 安裝方式

減速器輸入軸(高速軸)與驅(qū)動電機相連,并且減速器輸入軸(高速軸)安裝工作制動器,因此減速器輸入軸(高速軸)、電機軸以及工作制動輪聯(lián)軸器三者之間軸線的同軸度,對減速器輸入軸(高速軸)使用情況影響較大,嚴(yán)重者可能造成斷軸。

如果在設(shè)備安裝以及維護(hù)更換過程中減速器輸入軸(高速軸)、電機軸、工作制動輪聯(lián)軸器三者之間軸線的同軸度差異較大,未及時發(fā)現(xiàn),長時間使用,減速器輸入軸(高速軸)除承受正常的扭矩,還要承受扭矩傳遞過程中由于軸線傾斜過大引起的交變應(yīng)力——旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力,造成減速器輸入軸(高速軸)的疲勞,該疲勞作用在高速軸的一些薄弱部位最終可能造成斷軸。

在設(shè)備安裝以及維護(hù)更換過程中,需要嚴(yán)格按照設(shè)計要求對減速器輸入軸(高速軸)、電機軸、工作制動輪聯(lián)軸器三者之間軸線的同軸度加以保證,避免使用過程中的交變應(yīng)力。

3.3 加工及外形特點

由于輸入軸加工以及外形的一些忽略的方面,以某減速器輸入軸(高速軸)實際斷軸情況進(jìn)行分析,該減速器輸入軸(高速軸)如圖2所示。

圖2 發(fā)生斷軸的高速軸

斷裂位于減速機軸表面退刀槽根部,宏觀斷口見圖3。

斷口表面有較明顯的貝殼狀花樣,屬于典型的疲勞斷裂。斷口由疲勞裂源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)三個區(qū)域組成。

圖3 宏觀斷口形貌

仔細(xì)觀察斷口裂紋源區(qū),其表面較平坦,尺寸在距表面5mm范圍內(nèi)(圖3A處),裂紋擴展區(qū)貝紋線比較扁平。瞬間斷裂區(qū)在裂源的對面,呈橢圓形,斷口形貌為纖維狀,表明減速機軸主要受旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力。斷口瞬斷區(qū)域較小、較圓,約占整個斷口面積的1/6,說明軸整體受力較小,屬典型的高周疲勞斷裂。由疲勞區(qū)及貝紋線的形態(tài)可知,疲勞裂紋擴展過程中兩側(cè)較快,說明退刀槽根部有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

從減速機軸斷裂的位置看,疲勞起源于軸的退刀槽應(yīng)力集中處。從微觀斷口看,有明顯的三個區(qū)域即裂紋源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū),屬典型的疲勞斷裂。斷口貝紋線比較扁平,裂紋擴展前沿線兩側(cè)的裂紋擴展速度較大,瞬斷區(qū)在裂紋源的對面,由此可見,失效軸主要受旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力,而從瞬斷區(qū)較小較圓看,失效軸整體受力較小。根據(jù)上述斷口分析結(jié)果及斷裂形貌,認(rèn)為軸斷裂屬中等名義應(yīng)力集中條件的旋轉(zhuǎn)彎曲產(chǎn)生的疲勞斷裂。軸在承受旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力的作用下,由于軸的表面硬度較低,加上退刀槽應(yīng)力集中,使軸在正常工作應(yīng)力下在退刀槽處過早地產(chǎn)生疲勞裂紋,隨著循環(huán)載荷的作用,疲勞裂紋不斷向基體內(nèi)擴展,致使軸的有效承載尺寸減少,并產(chǎn)生彎曲,當(dāng)對軸的凸起方向施加一定向下的外力時,導(dǎo)致軸的斷裂。

多個裂紋源始于軸肩階梯過渡表面,該部位直徑突變,過渡圓角半徑過小,表面粗糙度高且存在加工缺陷,屬于軸應(yīng)力集中的危險部位。

結(jié)合上述說明,減速器輸入軸(高速軸)加工過程中關(guān)于軸徑變化及傳動軸的機加工精度不高導(dǎo)致其加工圓角部位產(chǎn)生應(yīng)力集中,或者一些工藝尺寸不當(dāng),如退刀槽是高速軸斷裂失效的重要原因之一。

3.4 材質(zhì)的選擇以及熱處理的異常

減速器高速軸一般為齒輪軸,加工要求高,熱處理工藝復(fù)雜,在此不作詳細(xì)說明。僅對材料與熱處理配合不當(dāng)舉例說明:

熱處理工藝控制不嚴(yán)格,淬火過程中冷卻速度較慢,在其組織中出現(xiàn)了上貝氏體,從本質(zhì)上導(dǎo)致了材料力學(xué)性能的下降,其工作特性要求材料的綜合力學(xué)性能較高。因此在制造過程中應(yīng)嚴(yán)格控制包括機加工和熱處理在內(nèi)的每一個環(huán)節(jié)。

(1)生產(chǎn)制造過程嚴(yán)格按圖紙要求進(jìn)行,選用正確的原材料和熱處理。

(2)對于晶粒粗大,存在組織缺陷的原材料,采取必要的正火處理,細(xì)化晶粒,消除網(wǎng)狀組織和魏氏組織。

4 結(jié)論

綜合上述高速軸斷裂原因,減速器高速軸由于旋轉(zhuǎn)速度比較快,一般情況下高速軸

The Nalysis about Broken Shaft of Casting Crane's Reducer

CHEN Jun,YU Qiang
(Panzhihua Steel Group Panzhihua Steel Vanadium Co.,Panzhihua 617000,Sichuan,China)

This pape According to Reducer input of shaft(high speed shaft),Analyze About Torque variation characteristics and installation,the input shaft machining and shape characteristics,And selection of heat treatment on the material about input shaft(After breaking macromorphology and microstructure of the shaft)etc.Analysis of the reasons for the reduction gear input shaft(high speed shaft)fracture,In the selection of equipment and inspection maintenance considerations.

casting crane;reducer t;analysis of broken shaft

TH218

:A

1001-5108(2015)03-0073-04

陳俊,助理工程師,主要從事設(shè)備管理方面的工作。