起桥架绞车齿轮箱输入齿轮轴断裂失效分析_赵小鹏.pdf

2023年 第4期 热加工54热 处 理Heat Treatment起桥架绞车齿轮箱输入齿轮轴断裂失效分析赵小鹏江苏海泰船舶成套设备有限公司 江苏泰州 225400摘要：某大型绞吸挖泥船起桥架绞车齿轮箱输入轴在下放桥架过程中出现断裂、高速制动器失效，造成桥架跌落入海的事故。通过对断裂齿轮轴金相组织、理化性能分析，验证了齿轮轴的材质与综合力学性能满足要求，排除了齿轮轴材质与设计强度问题。通过分析提出了增设一套高速制动器配置、提高高速制动器制动时间、控制系统优化等解决方案，成功完成了工厂静态负载试验与实船动态负载试验工作。关键词：输入齿轮轴；断裂；失效分析1 序言起桥架绞车主要用于挖泥船对桥架起吊与下放工作，通过与平移绞车的配合，实现桥架的移动与定位。绞车主要结构由容绳卷筒、带式制动系统、底座、减速箱体、电动机、高速制动系统和控制系统等组成。桥架绞车从2019年9月出厂至今已3年多时间，正常施工运行时间超过3600h。通过查阅船上的记录视频与参数可知：发生事故时船上2台起桥架绞车以额定速度下放桥架（电动机转速750r/min，卷筒转速3.75r/min）左桥架绞车突然产生加速，驾驶台内变频器出现超压报警，高速轴制动在约2s后介入制动，直到12s后高速轴盘制动器因超速过载爆裂失效，7s后卷筒钢缆绳脱落，桥架跌落入海。在约20s时间内，主卷筒液压制动未见反应动作。事故造成齿轮箱一级输入轴系整体被破坏，输入齿轮轴从轴承台阶处断为三截，其中电动机端输入轴头已经落入海中、高速制动器爆裂失效。齿轮轴结构如图1所示，断口形貌如图2所示。图1齿轮轴结构a）A向断口 b)B向断口 c)C向断口图2齿轮轴断口形貌2 输入齿轮轴的强度计算齿轮轴技术要求：齿部标记处渗碳淬火，表面到550HV处有效硬化层深1.21.8mm。齿面硬度要求5862HRC。具体的热处理工艺要求：渗碳淬火，除齿部外，其余部位涂防渗碳保护材料。输入齿轮轴材质为20CrMnMoA钢，其化学成分、力学性能符合GB/T 171071997锻件用结构钢牌号和力学性能要求，非渗碳淬火部位抗拉强度835MPa，屈服强度490MPa。对输入齿轮轴断口处进行强度校核，结果见表1。2023年 第4期 热加工55热 处 理Heat Treatment表1输入齿轮轴断口处进行强度校核结果断口位置名义应力/MPa疲劳安全系数静强度安全系数电动机端60.45.3076.166自由端1218.53659.144 计算结果已经考虑台阶圆角应力集中，计算安全系数满足设计要求1。计算过程略。3 理化性能检测23.1 送样情况送检样品为两根齿轴，一根为未发生断裂的齿轴，标记为1#，宏观形貌如图3所示；另一根为两头均发生断裂的齿轴，标记为2#，宏观形貌如图4所示。两个断口分别标记为2#-1、2#-2。3.2 无损检测对未发生断裂的1#样品进行无损检测，结果未发现裂纹。3.3 分析取样根据客户要求，在1#、2#样品上截取化学成分、力学性能、低倍和金相组织检测试样，取样位置如图5、图6所示。图31#样品宏观形貌图42#样品宏观形貌图51#样品取样位置示意图62#样品取样位置示意 表2化学成分分析结果（质量分数）（%）元素CSiMnPSCrNiMo Cu标准值0.170.230.170.370.901.200.0250.011.11.40.300.200.300.21#样品实测值0.230.350.970.0210.0021.130.150.240.0552#样品实测值0.210.290.960.0210.0021.210.160.210.051表3力学性能测试结果项 目屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断后伸长率（%）断面收缩率（%）冲击吸收能量/J技术要求4908351540311#样品实测值660103317.55358、55、312#样品实测值64786120.55644、30、613.4 化学成分分析取样的化学成分实测值与客户提供的标准SNGCM-MEI9-2014对20CrMnMoA钢的技术要求见表2。由表2可见，化学成分实测值符合相关技术要求。3.5 力学性能测试在1#与2#样品相同位置截取拉伸与冲击试样进行测试，实测值与客户提供的标准 G B/T 171071997 锻件用结构钢牌号和力学性能对20CrMnMoA钢的技术要求见表3。由表3可见，1#和2#样品的拉伸性能满足标准要求，2#试样有单个冲击性能低于标准要求。3.6 低倍组织检验根据客户要求，在1#与2#样品相同位置截取低倍试样，经磨床磨光后按标准进行热酸浸湿，1#样品形貌如图7所示,2#样品形貌如图8所示。1#样品与2#样品对比可见，2#低倍试样的显微组织较为粗大。2023年 第4期 热加工56热 处 理Heat Treatment3.7 断口分析 对来样断口分别进行清洁，2#-1样品断口宏观形貌如图9所示。由图9可见，断面整体较为粗糙，断面与轴向大致垂直，从断口上纹路的收敛方向可判断裂纹源区位置。将断口置于扫描电镜内进行观察，源区主要形貌特征为韧窝少量准解理，SEM形貌如图10所示。源区外区域主要形貌特征为准解理少量韧窝，SEM形貌如图11所示。由以上分析可知，2#-1断口的断裂性质为外力作用下的一次性断裂，断裂起源于轴的表面，无疲劳开裂的宏观及微观特征。图122#-2样品断口宏观形貌图132#-2样品断口剪切唇处SEM形貌图92#-1样品断口宏观形貌图71#样品低倍形貌图112#-1样品源区外断口SEM形貌图102#-1样品断口源区SEM形貌图82#样品低倍形貌2#-2样品断口宏观形貌如图12所示。由图12可见，断面整体较为粗糙，未见异物覆盖，断面与轴向大致垂直，从断口上纹路的收敛方向可判断裂纹源区位置，源区外侧可见剪切唇，分析认为是该位置先在外力作用下断裂形成剪切唇，然后以断口纹路收敛位置为起点发生后续的断裂。将断口置于扫描电镜内进行观察，剪切唇处区域主要形貌特征为韧窝，SEM外貌如图13所示。断口纹路收敛处区域主要形貌特征为韧窝少量准解理，SEM形貌如图14所示。收敛处以外区域主要形貌特征为准解理源区2023年 第4期 热加工57热 处 理Heat Treatment少量韧窝，SEM形貌如图15所示。综上分析可知，2#-2断口的断裂性质为外力作用下发生的一次性断裂，断裂起源于轴的表面，无疲劳开裂的宏观及微观形貌特征。T 105612005中A法评定为AO、BO、CO、D1、DO.5e,显微组织为粒状贝氏体细珠光体，显微组织形貌如图19所示。图161#金相非金属夹物形貌（100）图142#-2样品断口收敛处SEM形貌图182#非金属夹杂物形貌（100）图171#样品金相显微组织（500）图152#-2断口收敛处以外SEM形貌图192#金相显微组织（500）3.8 金相分析在1#与2#样品远离断口的相同位置处截取金相试样，分别经镶嵌、磨抛与化学试剂侵蚀后置于金相显微镜下观察，1#金相样品非金属夹杂物形貌如图16所示。按GB/T 105612005钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法中A法评定为A0.5、B0、C0、DI、DO.5e,显微组织为回火索氏体粒状贝氏体，显微组织形貌如图17所示。2#金相样品非金属夹杂物形貌如图18所示,按GB/4 绞车发生事故时工况分析（1）正常使用工况 在额定载荷下，电动机转速750r/min（恒转矩）使用；在轻载状态下（不大于额定载荷40%）电动机可以在7501500r/min（恒功率）使用。制动系统功能：高速制动由变频器控制，带式制动由DCS控制。在紧急状态下按下紧急停止按钮，控制系统应实现高速轴制动与主卷筒液压带式制动联动，起到双重保护设备的作用。在变频器的控制下，电动机速度降低到停止，力矩保持，高速轴制动器启动制动，使高速制动器2023年 第4期 热加工58热 处 理Heat Treatment工作，电动机断电停止工作。高速轴制动器制动力矩：20000NM（电动机额定扭矩10000NM）。主卷筒液压制动支持负载：2600KN。（2）实际使用工况 绞车在施工过程中，处于重载状态，电动机转速处于750r/min恒转矩状态，绞车工作平稳，正常下放缆绳。从绞车突然加速到高速制动盘失效时间为13s，卷筒放出7圈钢缆，由此可以计算出电动机和卷筒平均转速。电动机平均转速为S132.3211.586835（r/min）卷筒平均转速为S20.546032.4（r/min）由此可判断出：电动机平均转速6835r/min远超过电动机与减速机的允许转速。高速释放桥架，电动机扭矩达不到额定扭矩要求，在桥架拖动下快速下放，造成电动机失速，高速轴紧急制动，超速过载造成高速制动器损坏、轴断裂。绞车高速轴制动失效后，卷筒剩余钢缆14圈，自由落体至钢缆放完脱开止，7s内缆绳放出14圈，卷筒平均转速已达S2260=120r/min。在电动机失速状态下，变频控制器故障报警，失去对电动机的控制，扭矩不足以支撑桥架的重量，所吊的桥架在重力作用下快速下坠。高速轴制动按设计要求在静负载时可制动2倍的载荷，在事故发生时，处于超速超载状态下紧急制动，造成制动带较长时间磨损、发热、失火，直至爆裂失效，判断同时出现齿轮箱传动轴冲击断裂。电动机编码器也因高速冲击而脱落。在出现异常的20s左右时间内，从绞车突然加速到高速轴制动失效，再到钢缆绳脱落，主卷筒液压制动均没有启动，主卷筒在惯性的作用下继续高速运转，控制系统没有起到双重保护绞车的设计功能。5 分析结果根据以上分析和计算，得出如下结论。1）由计算报告可知，在额定工况下，输入轴设计强度符合要求1。2）由材料研究所材料检测报告可知，输入轴材料性能符合要求2。3）结合材料研究所断口开裂模式判断：该轴断裂是受到了远超额定工况的外力导致的一次性断裂。4）额定负荷状态下超速下放桥架，超过电动机恒转矩工况，是引起这起事故的主要原因。5）在事故发生时紧急停止措施没有发挥作用。6 解决方案 1）桥架绞车齿轮箱损坏零部件备料生产；绞车返厂维修，齿轮箱返配套厂检测维修。2）在高速轴另一端再增加一套高速制动器，但为防止两边突然同时刹车，因冲击力大而损坏齿轮箱，需两侧制动装置动作时间分先后。制动盘平面度要控制在0.2mm以内；调整制动盘单边间隙分别为0.5mm、0.3mm；高速盘式制动器反应时间由12s缩短至0.15s、0.05s。3）卷筒带式制动器制动响应时间由3s缩短到1.5s之内；原配蓄能器容量由16L改成40L，调高初始压力，加大制动控制系统流量，加大液压管路及液压缸接口通径，确保制动液压缸响应时间控制在1.5s以内3。4）控制部分增加一个限速保护功能，通过测量卷筒速度，当桥架下放速度超过设定值时，制动受电信号控制，自动进行制动降低桥架的下放速度。5）装配完成后进行静态负载试验。7 试验方法7.1 桥架绞车1）卷筒技术参数。额定拉力1300kN；高速轴端制动负载2600kN，低速轴端3380kN制动负载。2）绞车安装试验加载方法如图20所示。图20绞车安装试验方法7.2 检测项目1）高速制动器。高速盘式制动器制动，低速带2023年 第4期 热加工59热 处 理Heat Treatment汽车制动器内轮毂裂纹失效分析何胜豪1，朱京妃1，叶枫1，孙峰1，李立国1，卢洪英1，陈杰1，21.义乌吉利动力总成有限公司 浙江义乌 3220002.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江宁波 315000摘要：在汽车制动器内轮毂经疲劳耐久试验后，焊缝出现裂纹。为查找失效原因，采用了CT扫描、3D显微镜拍照、金相分析、硬度检测、SEM扫描电镜分析，以及化学成分分析等方法对失效件进行了宏观和微观分析。结果表明：该断口为脆性断裂，样品中有明显的硫化物夹杂，增加了材料的脆性，焊缝处有较多气孔，焊缝收弧区的不良形态缺陷和焊趾应力集中处和高硬度的热影响区易产生裂纹，同时焊趾处存在咬边缺口，易在受力状态下形成应力集中，导致裂纹逐渐扩展。关键词：轮毂；裂纹；失效分析；脆性断口；夹杂物1 序言汽车制动器是汽车的制动装置，制动器内的轮毂是支