中厚板軋機(jī)萬(wàn)向聯(lián)軸器故障分析及解決措施

王紅巖， 張威， 王嘵峰， 漆德虎

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

0 引言

某廠(chǎng)一次在軋制某鋼種時(shí)中厚板軋機(jī)萬(wàn)向聯(lián)軸器十字軸發(fā)生了斷裂，通過(guò)分析其斷裂原因，提出改進(jìn)萬(wàn)向聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)、加大十字軸規(guī)格以及改善軋制工藝等項(xiàng)措施，延長(zhǎng)了設(shè)備壽命、降低備件消耗，確保設(shè)備優(yōu)質(zhì)、安全、高效穩(wěn)定運(yùn)行。

1 設(shè)備技術(shù)性能及工藝概述

1.1 設(shè)備技術(shù)性能

中厚板試驗(yàn)軋機(jī)為四輥可逆式軋機(jī)，如圖1所示，主傳動(dòng)系統(tǒng)主要由主電機(jī)、減速機(jī)、連接機(jī)、萬(wàn)向聯(lián)軸器（如圖2所示）、工作輥等部分組成。主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

圖1 中厚板軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

圖2 SWC-250C型萬(wàn)向聯(lián)軸器示意圖

1.2 工藝狀況概述

軋機(jī)的主電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)、連接機(jī)，再由連接機(jī)上下兩個(gè)輸出軸分別帶動(dòng)萬(wàn)向聯(lián)軸器，最后由萬(wàn)向聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)工作輥轉(zhuǎn)動(dòng)完成可逆軋制過(guò)程。萬(wàn)向聯(lián)軸器十字軸斷裂時(shí)軋制的鋼板溫度為950～1000℃，道次壓下量10mm，軋制力為643kN。

2 故障分析

2.1 理化檢測(cè)分析

2.1.1 斷口宏觀(guān)檢驗(yàn)

斷裂十字軸是與上軋輥相連萬(wàn)向聯(lián)軸器靠近連接機(jī)一側(cè)的十字軸，且兩側(cè)的對(duì)稱(chēng)軸頭發(fā)生斷裂。十字軸頭第二個(gè)臺(tái)階凹角根部出現(xiàn)了較粗的機(jī)加工刀痕，由宏觀(guān)圖片3（a）可知，其根部過(guò)渡圓角較小，斷裂發(fā)生在此過(guò)渡部位，裂紋從過(guò)渡圓角根部萌生，并沿約45°角向側(cè)下方向擴(kuò)展，而斷口的中部斷面與軸向逐漸趨于垂直。由圖3（b）可見(jiàn)，其中一個(gè)斷裂軸頭裂紋源區(qū)位于斷口邊部，為多源起裂；擴(kuò)展區(qū)較為平整，呈半月形；瞬斷區(qū)面積較大，約為50%，有明顯的撕裂棱，呈現(xiàn)裂紋迅速擴(kuò)展特征；整個(gè)斷口呈暗灰色，具有比較典型的疲勞斷裂特征，斷裂性質(zhì)屬于疲勞斷裂。另一個(gè)軸頭的斷面基本垂直于軸向，呈現(xiàn)瞬間脆性斷裂特征。從上述分析可知，呈疲勞斷裂的軸頭首先發(fā)生斷裂，另一軸頭在較大的應(yīng)力作用下發(fā)生瞬時(shí)脆性斷裂。

圖3 十字軸斷裂宏觀(guān)形貌

2.1.2 斷口微觀(guān)檢驗(yàn)

從疲勞斷口的疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)上分別截取檢驗(yàn)試樣，置于QUANTA400型掃描電鏡內(nèi)觀(guān)察，由圖4可見(jiàn)，裂紋源為多條臺(tái)階裂紋，在裂紋擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)不明顯的疲勞輝紋，瞬斷區(qū)呈準(zhǔn)解理花樣較為粗大，進(jìn)一步證實(shí)了該失效十字軸為疲勞斷裂。

圖4 十字軸斷口微觀(guān)形貌

2.1.3 金相檢驗(yàn)

從失效十字軸上截取金相分析試樣，經(jīng)磨制、拋光后在光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察。由圖5可見(jiàn)，基體上有大量單個(gè)分散或聚集分布的硫化物、氧化物及氮化物夾雜；并觀(guān)察到少量的疏松孔洞。

圖5 試樣基體拋光態(tài)形貌

試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀(guān)察，由圖6可知，零件表面經(jīng)過(guò)滲碳處理，滲碳層深度約為0.78 mm，滲碳層顯微組織為馬氏體，心部顯微組織為鐵素體+珠光體+馬氏體+貝氏體。

2.1.4 顯微硬度測(cè)定

從斷裂十字軸表面至心部進(jìn)行顯微硬度測(cè)定，載荷1kg，加載時(shí)間15s，從距表面0.17mm處開(kāi)始，每隔0.1mm距離測(cè)一點(diǎn)，共測(cè)定25點(diǎn)，測(cè)定總深度為2.57 mm，具體測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖7。參照J(rèn)B/T7341.2-2006《十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器用十字包SWC型》中要求十字軸表面應(yīng)進(jìn)行滲碳處理，滲碳層深度為1.3～3.0 mm，表面硬度為58～62 HRC。

2.1.5 化學(xué)成分檢測(cè)

在失效十字軸上鉆取化學(xué)分析試樣進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2，可知該十字軸化學(xué)成分符合GB/T3077-1999標(biāo)準(zhǔn)中20CrMnTi的成分要求。

圖6 基體顯微組織

圖7 十字軸表層至心部顯微硬度曲線(xiàn)

綜上所述，失效十字軸化學(xué)成分符合GB/T3077-1999標(biāo)準(zhǔn)中要求值；基體中有大量的夾雜物存在，并發(fā)現(xiàn)有少量的疏松孔洞存在；滲碳層深度約為0.78 mm，低于JB/T7341.2-2006標(biāo)準(zhǔn)中要求的1.3～3.0 mm，十字軸表面硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求值；十字軸的設(shè)計(jì)不合理，第二個(gè)臺(tái)階凹角根部過(guò)渡圓角小，加大了該處的應(yīng)力集中，且根部出現(xiàn)了較粗的機(jī)加工刀痕，業(yè)已證實(shí)，在工件表面上垂直于主應(yīng)力方向上的粗糙機(jī)加工刀痕和較小的過(guò)渡圓角均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，它常常會(huì)誘發(fā)疲勞裂紋萌生［2］。在交變應(yīng)力作用下疲勞裂紋在該處萌生，隨后發(fā)生擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到十字軸頭剩余有效截面積不足以承受外載時(shí)便發(fā)生斷裂；當(dāng)該十字軸頭斷裂后，萬(wàn)向聯(lián)軸器傳遞的力矩集中在失效軸頭對(duì)面的軸頭上，使其處于過(guò)載狀態(tài)，發(fā)生瞬時(shí)脆性斷裂。通常情況下瞬斷區(qū)的面積不會(huì)過(guò)大，而該疲勞斷裂軸頭的瞬斷區(qū)面積較大，約為50%。這是因?yàn)槭州S基體中存在疏松孔洞、大量夾雜物及表面滲碳層深度過(guò)淺導(dǎo)致其強(qiáng)度下降，不僅促使裂紋迅速擴(kuò)展，而且致使在較小的應(yīng)力作用下產(chǎn)生較大面積的瞬斷區(qū)，大量夾雜物使其疲勞性能降低；另外，故障發(fā)生時(shí)實(shí)際軋制力（643 kN）為軋機(jī)允許最大軋制力（1500 kN）的42.8%，道次壓下量（10 mm）為軋機(jī)最大道次壓下量（24 mm）的41.7%，進(jìn)一步判定十字軸的斷裂并不是過(guò)載所致。此外，萬(wàn)向聯(lián)軸器公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩（71 kN·m）為軋機(jī)最大扭矩（120 kN·m）的59.1%，可見(jiàn)該萬(wàn)向聯(lián)軸器的規(guī)格型號(hào)選擇偏小。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果%

3 解決措施

1）考慮到檢修萬(wàn)向聯(lián)軸器方便，改變?nèi)f向聯(lián)軸器十字軸的裝配結(jié)構(gòu)，并加大萬(wàn)向聯(lián)軸器型號(hào)，將SWC-250C改為SWC-265D（如圖8所示），十字軸直徑由φ100 mm改為φ108 mm，加大軸頭根部圓弧半徑，減少應(yīng)力集中，更改后的萬(wàn)向聯(lián)軸器公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩為90 kN·m。

圖8 SWC-265D型萬(wàn)向聯(lián)軸器示意圖

2）軋制前鋼板除鱗處理，以減少在軋制過(guò)程中因鋼板與軋輥之間打滑而激發(fā)的嚴(yán)重扭振，導(dǎo)致十字軸根部因過(guò)載而產(chǎn)生裂紋。

3）合理分配道次壓下量,減小鋼板上下表面溫差，改善板形，減小鋼板對(duì)軋輥及十字軸的沖擊載荷。

4）在低溫軋制時(shí)降低咬入速度或減小道次壓下量，有效降低咬入沖擊［3］。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采取上述一系列改進(jìn)措施，取得了滿(mǎn)意效果，新型萬(wàn)向聯(lián)軸器安裝使用后至今未發(fā)生故障，確保了軋制工作的順利進(jìn)行。

［1］ 王廷溥，齊克敏.金屬塑性加工-軋制理論與工藝［M］.北京：冶金工業(yè)出版社,2008.

［2］ 張德智.3500軋機(jī)輥端聯(lián)軸器改造及結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度分析［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2011（增刊1）：123-128.

［3］ 呂智勇，王軼平.型鋼輥式矯直機(jī)十字軸扭斷事故原因分析及措施［C］//第七屆（2009）中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.