185T铸造起重机大车轮断轴原因分析及改进

《科技传播》2016•2（上）111创新与应用技术南钢炼钢厂加料跨装备了3台185T铸造起重机，新生产线从2013年底开始试生产，到2014年下半年开始满负荷生产至2015年2月半年时间内陆续发生了5次断轴事故，几次断轴事故均对炼钢厂的生产及安全造成了较大的影响。1断轴原因分析1.1断口分析图1断口形貌从断口形貌（图1）来看，其形貌明显分为两个区：疲劳区及瞬断区。疲劳区呈圆环状，断面较光滑并有贝线纹；瞬断区是裂纹快速扩展最终断裂的部位，断区呈闪亮的金属光泽并有很强的晶粒状。通过对比图2所示的各种载荷作用下所对应的断口形貌，可以得出结论：车轮轴属于在旋转弯曲载荷下且有较大的应力集中所产生的疲劳断裂。1.2受力分析图2车轮轴的受力分析简图轴的受力简图如图2所示，由于车轮附件重量远小于轮压，故忽略不计。把车轮轮毂作用在轴上的分布载荷当作集中力，作用于轴上车轮轮缘宽度的中点C，D点断裂处。由此可求出RA=RB=F/2=495/2=247.5Kn，式中F为轮压；断裂处的弯矩为MD=44×RB=10890N.m。断裂处的扭矩为T=P/ω，式中P为电机输出功率，ω为角速度。经查图纸，大车速度为80m/min，大车电机功率为55Kw，车轮半径250mm，因此可得出断裂处的扭矩为T=10320N。根据抗弯截面系数公式WZ=πd3/32=π×(140×10-3)3/32=2.69×10-4m3，抗扭截面系数为WT=πd3/16==5.38×10-4m3。因车轮轴所受弯矩应力是循环对称变化的，故弯曲应力为σa=MD/WZ=40.48MPa，σm=0；行车行走经常处于正反转，故转矩也可当作对称循环变化，即：τa=T/WT=19.18MPa，τm=0。1.3轴的断口处疲劳强度安全系数计算根据疲劳强度安全系数计算公式（1）：】【τστσSSSSSS22≥+=ma1Kσψσβεσσσσσ+=−S，ma1Kτψτβετττττ+=−S，式中：σS为只考虑弯矩作用时的疲劳安全系数，τS为只考虑扭矩作用时的疲劳安全系数；σ-1为对称循环应力下的弯曲疲劳极限，σ-1=0.27（σs+σb），σs为材料的屈服强度，σb为抗拉强度；τ-1为对称循环应力下的扭转疲劳极限，τ-1=0.156（σs+σb），σs为材料的屈服强度，σb为抗拉强度；σa、σm——为弯曲应力的应力幅和平均应力；τa、τm——为扭剪应力的应力幅和平均应力；Kσ、Kτ——为弯曲和扭转时的有效应力集中系185T铸造起重机大车轮断轴原因分析及改进俞亮亮南京钢铁股份有限公司第二炼钢厂，江苏南京210000摘要从断轴的断口形貌来看属于典型的在旋转弯曲载荷下且有较大的应力集中所产生的疲劳断裂，再通过拆检未断侧轴，发现在断轴处的过渡圆角加工粗糙，刀痕明显。为了进一步提高轴的强度，避免今后断轴事故的发生，除对过渡圆角提出加工要求外，对轴的材质、热处理工艺进行了优化，取得了较好的效果。关键词车轮；断轴；疲劳断裂；疲劳强度；安全系数中图分类号TH2文献标识码A文章编号1674-6708（2016）156-0111-01作者简介：俞亮亮，工作单位为南京钢铁股份有限公司第二炼钢厂（下转第123页）DOI:10.16607/j.cnki.1674-6708.2016.03.068《科技传播》2016•2（上）123创新与应用技术反应器设计：利用CFD（流体动力学）软件进行数值模拟计算，选择倾斜顶结构反应器，建立SCR反应器系统，优化设计结构，在系统与锅炉进出口安装导流板和折流板，合理控制入口气体浓度和速度。3结论以火力发电的企业产生的主要气体污染物有CO2、SOx、NOX、HCl、HF等有害气体，人们对气体环境的需求意识愈加提高，因此电厂在发电过程中对气体污染物的防治的重要性越来越大，对氮氧化物、含硫气体等有害烟气的防治可从燃烧组织和烟气处理两方面着手进行，通过利用循环流化床锅炉卓越的焚烧特性，减少污染物的产生，利用尾部净化装置净化烟气，使其达标或优于标准排放。通过对这些污染物的生成机理、危害和防治措施的了解，多层次了解国内外脱硫脱硝技术，消化吸收国外技术的基础上，逐步完善我国脱硫脱硝技术开发研究体系，开发适合我国国情的脱硫脱硝技术。参考文献[1]钟月汉，陶文斌.火电厂环境成本分析[C].江苏：全国火电大机组（300MW级）竞赛第37届年会论文集，2008-05-01：705-712.[2]熊银伍.活性焦联合脱硫脱硝工艺试验研究[J].洁净煤技术，2015-04-09，21（2）：14-19.[3]苗强.燃煤脱硫技术研究现状及发展趋势[J].洁净煤技术，2015-04-09，21（2）：59-63.[4]李兴强，任振峰.燃煤烟气脱硫脱硝技术研究[J].资源节约与环保，2015-08-25，8：12.[5]康新园.燃煤烟气脱硫脱硝一体化技术研究进展[J].洁净煤技术，2014-11-19，20（6）：115-118.[6]李玉然，闫晓淼，叶猛，等.钢铁烧结烟气脱硫工艺运行现状概述及评价[J].环境工程，2014-11-22，11：82-87.[7]郑彦强，李黎，李小利，等.电厂温室气体排放核算案例及问题分析[J].能源与节能，2015-10-20，10：101-102.数；β——为表面质量系数；ψσ、ψτ——为弯曲和扭转时的平均应力折合为应力幅的等效系数；εσ、ετ——为弯曲和扭转时的绝对尺寸的影响系数。查车轮轴零件图可知，轴的材质为45钢，热处理采用正火处理，根据设计手册（2）表20-1查的轴的屈服强度为σs=290MPa，抗拉强度为σb=580MPa；根据断轴处的工艺参数，查设计手册（3）表20-16～22可得：断裂处的应力集中系数Kσ=2.17，Kτ=1.69；表面质量系数β=0.825；等效系数ψσ=0.34，ψτ=0.21；绝对尺寸影响系数εσ=0.68，ετ=0.68。将上述数值代入公式可计算出：Sσ=1.5，Sτ=2.35。最后可得断轴处的疲劳强度安全系数S=1.26。S通常取1.3～1.8（4），而断裂处的疲劳安全系数只有1.26，明显偏小。1.4小结通过断口来分析，断裂属于疲劳断裂，而通过对轴断裂处理论验算可知，断裂处的疲劳安全系数只有1.26，明显偏小，另经现场拆检未断裂处的轴过渡圆角发现，过渡圆角加工比较粗糙，加工刀痕明显。因此通过上述分析及现场拆检可以得出结论：断裂系轴的疲劳安全系数偏小，同时断裂处圆角加工粗糙导致应力集中剧增，最终导致轴产生了疲劳断裂。2车轮轴的改进由于受到安装尺寸的影响，轴的外形尺寸无法改变。最后通过研究，将轴的材质改成40Cr，毛坯采用锻件，热处理采用调整处理HBS241~286，轴的过渡圆角采用成型刀一次加工成型以较少或避免加工刀痕所带来的应力集中。重新选用轴的材质后，对断裂处的疲劳安全系数重新进行了验算：查的40Cr的Kσ=2.286，Kτ=1.796，σs=500MPa，σb=700MPa；由于其他尺寸未变，因此其他的相关参数未变，将参数代入公式可得：Sσ=1.96，Sτ=3.05，最后可得断轴处的疲劳强度安全系数S=1.65，可以看出安全系数满足要求。3结论南钢炼钢厂加料跨装备的3台185T铸造起重机，在不到一年的时间内发生了5次断轴事故，几次断轴事故均对炼钢厂的生产及安全造成了较大的影响。通过对断轴原因的仔细分析，并根据断轴原因提出了相应的改进措施，取得的很好的效果，新车轮上线至今，未发生断轴事故。参考文献[1]东北大学《机械零件设计手册》编写组.机械零件设计手册[S].第三版下册，北京：冶金工业出版社，1994：47.[2]东北大学《机械零件设计手册》编写组.机械零件设计手册[S].第三版下册，北京：冶金工业出版社，1994：32.[3]东北大学《机械零件设计手册》编写组.机械零件设计手册[S].第三版下册，北京：冶金工业出版社，1994：47-49.[4]东北大学《机械零件设计手册》编写组.机械零件设计手册[S].第三版下册，北京：冶金工业出版社，1994：46.（上接第111页）