供稿|關(guān)曉光，尚玉濱，汪碧威/ GUAN Xiao-guang, SHANG Yu-bin, WANG Bi-wei

轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)連接叉聯(lián)接螺栓斷裂原因分析與對(duì)策

Analysis and Countermeasures about Bolts Fracture of Connect Fork in Tilting Mechanism of Converter

供稿|關(guān)曉光1，尚玉濱2，汪碧威2/ GUAN Xiao-guang1, SHANG Yu-bin2, WANG Bi-wei2

作者單位：1. 河北鋼鐵集團(tuán)唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063016；2. 河北鋼鐵集團(tuán)唐鋼公司熱軋部，河北 唐山 063016

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章從材質(zhì)、氫脆性、力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)和預(yù)緊力5個(gè)方面對(duì)唐鋼熱軋部150 t轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)連接叉螺栓斷裂的原因進(jìn)行了分析，指出了螺栓斷裂由螺栓本身結(jié)構(gòu)及預(yù)緊力不足所致，通過(guò)計(jì)算確定了預(yù)緊力的范圍，并在最后給出了防止螺栓斷裂的對(duì)策。

唐鋼熱軋部現(xiàn)有150 t轉(zhuǎn)爐3座，均采用全懸掛式的傾動(dòng)機(jī)構(gòu)。對(duì)于此種傾動(dòng)機(jī)構(gòu)，為了防止懸掛在耳軸上的傳動(dòng)裝置繞耳軸轉(zhuǎn)動(dòng)，均設(shè)有抗扭轉(zhuǎn)緩沖裝置，通過(guò)抗扭轉(zhuǎn)裝置將傳動(dòng)裝置的反力矩傳遞到基礎(chǔ)上。唐鋼熱軋部150 t轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的是如圖1所示的扭力桿抗扭轉(zhuǎn)緩沖裝置。

自2009年投入使用以來(lái)，3座轉(zhuǎn)爐共發(fā)生過(guò)上下連接叉聯(lián)接螺栓斷裂事故6次，均為單側(cè)4條M64螺栓全部斷裂，出鋼側(cè)2次，加料側(cè)4次。由圖1可以看到，上連接叉與傾動(dòng)減速機(jī)相連，下連接叉與扭力桿相連，它們的聯(lián)接螺栓一旦發(fā)生斷裂，扭力桿抗扭緩沖裝置失效，將導(dǎo)致傾動(dòng)減速機(jī)損壞、爐內(nèi)鋼水因慣性濺出等事故，影響生產(chǎn)。

原因分析

圖1　轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)扭力桿抗扭緩沖裝置

查閱相關(guān)螺栓斷裂案例和文獻(xiàn)后，本文對(duì)螺栓斷裂的原因從以下5個(gè)方面進(jìn)行考慮，即材質(zhì)，氫脆性、力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)和預(yù)緊力(矩)。

材質(zhì)

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，上下連接叉的聯(lián)接螺栓的材質(zhì)為42CrMo，因此采用光譜分析法對(duì)斷裂螺栓(共4條)的化學(xué)成分進(jìn)行了分析，測(cè)試結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表1，可見(jiàn)該螺栓的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

氫脆性

42CrMo高強(qiáng)度螺栓制作過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理，在較高的加熱溫度下，氫容易滲入螺栓應(yīng)力集中的區(qū)域，使該區(qū)域的材質(zhì)發(fā)生脆化現(xiàn)象，進(jìn)而在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂，如螺栓頭桿結(jié)合。本文所涉及的螺栓斷裂位置均在螺栓頭桿結(jié)合處，因此對(duì)斷裂螺栓的氫含量進(jìn)行了分析。首先在斷口附近取樣，再經(jīng)清洗后用測(cè)氫儀對(duì)樣品氫含量進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，斷裂螺栓表面處的氫含量較高，應(yīng)為高強(qiáng)螺栓經(jīng)表面滲碳處理的緣故，但氫含量并未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，可以排除螺栓因氫脆而斷裂的原因。

表1　斷裂螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

表2　斷裂螺栓的氫含量

力學(xué)性能

對(duì)斷裂的螺栓取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和沖擊試樣，測(cè)試結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表3，可見(jiàn)這些螺栓的機(jī)械性能沒(méi)有問(wèn)題。

表3　斷裂螺栓的力學(xué)性能

結(jié)構(gòu)

GB/T5782—2000標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，螺帽與螺桿的過(guò)渡圓角最小應(yīng)為2 mm，而如圖2所示的螺帽斷面圖可見(jiàn)，此處的圓角很小，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)H為1 mm。圓角結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力集中影響很大，而應(yīng)力集中是導(dǎo)致螺栓斷裂的一個(gè)重要原因。因此可以得出螺帽與螺桿的過(guò)渡圓角過(guò)小是螺栓斷裂的原因之一。

預(yù)緊力(矩)

◆ 預(yù)緊力及預(yù)緊力矩

預(yù)緊可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強(qiáng)度，增強(qiáng)連接的緊密性和剛性，但過(guò)大過(guò)小的預(yù)緊力均是有害的。過(guò)小預(yù)緊力雖然能使螺栓上循環(huán)變化的總載荷的平均值減小，但卻使載荷變幅增大，總的效果仍是使螺栓疲勞壽命下降。而預(yù)緊力過(guò)大，則螺栓可能被擰斷，聯(lián)接件被壓碎、咬粘、扭曲或斷裂，也可能使螺紋牙被剪斷而脫扣。因此有必要將預(yù)緊力及預(yù)緊力矩控制在一定范圍之內(nèi)。

圖2　螺帽斷面圖

◆ 實(shí)際預(yù)緊力測(cè)試

在日常的安裝及檢修維護(hù)中，唐鋼熱軋部對(duì)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)上下連接聯(lián)接螺栓的緊固一直采用的是用敲擊扳手加大錘敲擊的方式，該方式因操作人員的差異，緊固效果有較大的差距。因此我們對(duì)采用此種方式的預(yù)緊力大小進(jìn)行了測(cè)量，以查明是否滿足要求。測(cè)量方法如下：

在測(cè)試螺栓的六角頭中心部分鉆一個(gè)直徑2 mm的盲孔，在孔內(nèi)安裝埋入式應(yīng)變計(jì)，對(duì)其進(jìn)行封膠固化，之后在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行標(biāo)定。因?yàn)閼?yīng)變片在彈性范圍變化，因此得到標(biāo)定曲線近似為一條直線，這樣我們就得到了螺栓所受軸向的預(yù)緊力與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系。隨后將裝有應(yīng)變計(jì)的螺栓安裝在結(jié)構(gòu)上，用敲擊扳手加大錘敲擊的方式進(jìn)行落實(shí)的緊固。應(yīng)變儀會(huì)采集螺栓軸向的應(yīng)變數(shù)據(jù)，最后根據(jù)標(biāo)定曲線將應(yīng)變換算成螺栓的預(yù)緊力。表4中給出了8條測(cè)試螺栓的終擰完成后預(yù)緊力。

通過(guò)表4可以看到，8條待測(cè)螺栓的預(yù)緊力均未在計(jì)算范圍之內(nèi)，與計(jì)算范圍中的最小值相比仍有一定差距，而預(yù)緊力不足將導(dǎo)致螺栓聯(lián)接產(chǎn)生松動(dòng)，進(jìn)而發(fā)生螺栓疲勞斷裂。

表4　測(cè)試螺栓的預(yù)緊力

對(duì)策

通過(guò)上面的分析，得出導(dǎo)致傾動(dòng)機(jī)構(gòu)連接叉聯(lián)接螺栓斷裂的原因主要有兩個(gè)，其一是螺帽與螺桿過(guò)渡圓角的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，其二是預(yù)緊力不足的問(wèn)題。針對(duì)上述兩個(gè)原因，采用以下兩種對(duì)策來(lái)解決。

(1) 螺帽與螺桿的過(guò)渡圓角因螺栓孔的限制以及螺帽與被連接件接觸面積的要求，尺寸可變化的范圍有限，應(yīng)力集中問(wèn)題無(wú)法有限避免。因此這里直接棄用螺栓，而用雙頭螺柱來(lái)代替，徹底消除該處因應(yīng)力集中導(dǎo)致螺栓斷裂的潛在危險(xiǎn)。

(2) 采用液壓扭矩扳手來(lái)控制預(yù)緊力達(dá)到要求。根據(jù)上面求得的預(yù)緊力P0，根據(jù)預(yù)緊力矩計(jì)算公式：Mt=K×P0×d(其中：K為擰緊力系數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)K取0.24；d為螺栓大徑64 mm)，可求得Mt=13.7~19.2 kN·m，當(dāng)液壓扳手的扭力值讀數(shù)達(dá)到此范圍后，即停止擰緊操作，保證預(yù)緊力在合理范圍之內(nèi)。另外要注意，擰緊螺栓時(shí)一定要在聯(lián)接螺栓不受力時(shí)進(jìn)行。即當(dāng)某一側(cè)螺栓發(fā)生斷裂后，將轉(zhuǎn)爐慢緩慢搖至反方向，此時(shí)螺栓拉斷側(cè)上下連接叉相互擠壓，更換新螺栓時(shí)螺栓不受力，預(yù)緊力可得到可靠保證。

結(jié)論

本文對(duì)可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)連接叉聯(lián)接螺栓斷裂的原因進(jìn)行了分析，指出螺栓本身的結(jié)構(gòu)問(wèn)題及螺栓擰緊時(shí)預(yù)緊力不足是導(dǎo)致該處螺栓斷裂的主要原因，并給出了采用雙頭螺柱代替原螺栓及采用液壓扭矩扳手保證預(yù)緊力的措施。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，采用這兩種方法后，唐鋼熱軋部再未發(fā)生過(guò)該處螺栓斷裂的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫國(guó)峰. 40Cr鋼螺栓斷裂分析. 金屬制品, 2011(5): 80

作者簡(jiǎn)介：關(guān)曉光(1981—)，男，工程師，工學(xué)碩士，2007年3月畢業(yè)于東北大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，現(xiàn)在唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系從事教學(xué)工作。

DOI:10.3969/j.issn.1000－6826.2015.04.12