某炼钢厂100 t渣车车轮轴频断裂原因分析*

张 言，刘骁知

(1.成都工业学院电加工实验室，四川成都 611730;2.成都中电锦江信息产业有限公司，四川成都 610000)

某炼钢厂100 t渣车车轮轴频断裂原因分析*

张 言1，刘骁知2

(1.成都工业学院电加工实验室，四川成都 611730;2.成都中电锦江信息产业有限公司，四川成都 610000)

某炼钢厂100 t渣车在使用过程中，出现车轮轴频繁断裂问题。从渣车车轮轴结构出发，计算车轮轴的受力情况，并综合分析设计制造环节等方面因素，总结了最终导致车轮轴在工作中频繁断裂的原因，对于改进渣车车轮轴的设计制造提供了一定的参考。

车轮轴;断裂;改进

1 引言

某炼钢厂原有三台100 t渣车，轨道中心距均为2 470 mm，其主要技术参数如下:电机YZR225M－8，22 kW715 r/mim，减速机ZQ65O，速比48.57，链轮传动比28/17，套筒滚子链节距50.8 mm，车轮直径φ700，运行速度19.7 m/mim，渣车最大外形尺寸8 300 mm×3 300 mm×2 000 mm，轴距5 400 mm，车架台面高1 250 mm，自重19 800 kg，车上放两个3 400 mm×3 400 mm×1 400 mm渣罐，渣罐自重约18 t/个，装渣20～25 t/个。

2 出现的问题

自炼钢厂建成投产以来，100 t渣车车轮轴从φ185 mm轴颈根部频繁被砸断，每年砸断约10～15根，其中从动车轮轴约占80%，因在主动车轮端车架布置有传动机构，故渣罐重量大部份集中在从动端车轮端的车架上，而安装在轴两端头的φ180/φ300×96双列调心滚子轴承却从未损坏过，后来虽将车轮孔和轴颈增大到φ200 mm，轴材质由原40Cr改为45钢后，虽有一点好转，但也同样被砸断。如图1所示，从车轮轴断口看出，断口相对平齐，在轴颈断口外边缘，有一圈1～2 mm宽度的已被挤压磨损，并相对光滑的旧裂痕圈，这说明轴颈根部表面已产生了疲劳裂纹，裂纹逐渐扩张成一圈后，车轮轴在转动中，主要受到扭转和重载的剪切才能使断口面比较平齐，而不是凸凹不平。

因位于炼钢转炉下环境恶劣，将产生断轴后的渣车从转炉下面轨道拖出至少需2 h以上，不仅对生产造成一定影响，而且给检修工作造成很大困难。

图1 渣车车轮轴断口

3 原因分析

3.1 车轮轴受力分析

首先对车轮轴进行强度计算，从动车轮轴如图2所示。

图2 100 t渣车从动车轮轴示意图

主动车轮轴扭矩为电机和减速机通过链条、链轮作用在车轮上，从动车轮轴扭矩为主动车轮通过车架、轴承座传递，车轮与轨道摩擦阻力产生反力矩Mo。

(1)作用在从动轴上的输入扭矩

电机输出功率计算转矩:Tc=9 550 P/n

式中:Tc为计算转矩，N·m;P为电机功率，P=22 kW;n为末转速，n=750 r/48.57×1.7=9 r/mim。

作用在车轮主动轴上的扭矩:Mn=Tc×η

式中:Mn为作用在车轮主动轴上的扭矩，η为减速和链条的传动效率约0.82，则:

因绕线式电机过载能力大，简化计算，将作用在主动轴上的扭矩比作从动轴扭矩，得:

(2)车轮滚动与轨道摩擦阻力Pmax产生反力矩

式中:Pmax为车轮与轨道摩擦阻力，主从动两套车轮组各1/2 kg，Pmax=(Q+G)(2k+μd)K/2D;(Q+G)为铁水罐和车体最大重量120 t=120 000 kg;k为滚动摩擦系数0.07;μ为轴承摩擦系数0.015;d为轴承内径18 cm;K为附加摩擦阻力系数K=2;D为车轮直径70 cm。将上述各值代入计算式:

其中:W为抗弯截面模量W=d3π/32，查《机械设计手册》φ100～300直径热轧45钢在正火条件下的σs=290 MPa，所以:

单从上述计算，车轮轴基本能满足使用要求，但在轴颈重载运行旋转时，轴颈根部受到的附加弯扭距和各应力集中形成叠加，也是造成该车轮轴断裂的主要原因之一。

3.2 断裂原因分析

(1)车轮轴材质40Cr选用不当，虽然40Cr调质后有较高的机械强度，但40Cr或45Cr类材料对热处理很敏感，不容易控制火候，且具有较低的破坏韧性，在用于轴类零件时容易发生脆性断裂，其综合机械性能不如使用45钢。

(2)将轨距2 470 mm，长度3 200 mm的车轮轴设计成两端头单轴承座结构不合理，使两车轮之间轮毂内边缘轴颈处承受了较大的弯扭矩。

(3)车轮轴设计存在缺陷，车轮轴在安装车轮的φ185轴颈与φ210轴肩根部无任何过渡圆角，宽度45×15的键槽靠拢轴肩根部，轴肩根部尖角和键槽应力重叠集中。

车轮轴与孔装配设计 φ185H7/n6过盈量相对小，转炉下的轨道内经常有喷溅的高温炉渣堆积，车轮体温度达到120℃左右，车轮孔受热后有一定微量增大，位于轴端头的两个M16压板螺栓和车轮定位套不起作用，车轮在不平直变形的轨道上运行时容易从轴颈上向外窜动;长度3 200 mm车轮轴的两轴端装车轮和滚动轴承的4段轴颈段缺少同轴度要求和径向跳动值要求。

(4)加工制造可能存在缺陷。该型车轴在加工时使用φ220×3 200热轨圆钢毛坯下料，按3 200长度下料，圆钢毛坯采用两次吊装调换180°，在卧式镗床上对两轴头端面轴钻车床顶尖中心孔，因3 200长度热轨圆钢坯料存在一定量的弯曲和椭圆(φ220)，故在两端轴颈中心孔中心线之间存在至少有2～3 mm的不同轴度误差;在车削车轮轴时，是分为两次装夹，每次只加工顶尖顶住端的轴颈，这种加工方法必然造成安装两端间距2 390 mm车轮轴颈位置段的同轴度误差增大。其后在安装时发现轴表面粗糙度未达到图纸Ra1.6要求，装配时用细砂纸将轴颈段磨光后，轴颈的实际尺寸未达到轴孔φ185H7/n6过盈装配要求;车轮轴采用热轧圆钢加工，未进行调质处理，轴颈强度未得到有效提高。

(5)现场将车轮与轴颈焊接固定错误。炼钢转炉下轨道内经常堆积有高温钢渣，车轮工作环境恶劣，车架和车轮表面温度常在80～100℃，车轮孔受热产生的微量热膨胀比实心轴大，使轴孔之间装配间隙增大，车轮在不平直变形轨道上运行时车轮容易从轴颈上向外退出，而轴端挡板螺钉压紧力根本压不住车轮退出，为防止车轮外退，检修人员将车轮轴颈与车轮内侧面焊高度10 mm一整圈焊缝固定，见图3所示。

图3 车轮颈与车轮内侧面焊接实物图

因40 Cr和45钢含碳较高，在常温下焊接时，因母材温度较低，焊缝在瞬间产生的热量对轴颈表层加热和冷却速度都较快，轴表面在焊缝热影响区靠近熔合线一侧在快速冷却时容易形成一圈薄层马氏体硬脆金相组织，有导致开裂的危险，另一方面热影响区靠近熔合线处的晶粒因受高热易于粗化，即容易使轴颈焊接熔合线表面淬火，形成环状马氏体组织，马氏体容易形成表面裂纹，形成应力集中，在较大外力冲击和弯扭矩作用下，造成轴颈断裂，故这也是主要原因之一。

4 总结

综上所述，今后在类似车轴的设计中，应避免以上问题。该厂针对车轴技术改进后如今已可正常使用，取得了很好的经济效益。

［1］ 郑文纬，吴克坚，郑星河.机械原理［M］.北京:高等教育出版社，1997.

［2］ 杨可桢.机械设计基础［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［3］ 吴先文.机械设备维修技术［M］.北京:人民邮电出版社，2012.

Cause Analysis of 100t Slag Car's Wheel Axle Fracture in a Steel Plant

ZHANG Yan1，LIU Xiao－zhi2
(1.Electro machining Laboratory，Chengdu Technological University，Chengdu Sichuan 611730，China;
2.CEC Jingjiang Info Industrial Co.，Ltd，Chengdu Sichuan 610000，China)

There is a problem of 100t slag car's axle fracture during the use in a steel plant.From the structure of wheel axle，the force situation of wheel axle is calculated，the factors of the design and manufacture link are comprehensively analyzed.The reasons of wheel axle fracture are summarized，which provides reference for design and manufacturing of improving the wheel axle.

wheel axles;fracture;improving

TH123

B

1007－4414(2013)05－0146－02

2013－08－15

张 言(1986－)，女，四川宜宾人，硕士，助教，主要从事机电一体化研究。