起重吊钩失效分析

工程技术研究与应用主持：李艳　起重吊钩失效分析　王真，曾会书　（广东省韶铸集团有限公司，广东韶关５１２０３１）　【摘要】：５ｔ长钩使用半年多就发生断裂失效。采用断口分析、金相检验、化学成分分析等方法对断裂吊　钩进行了分析，结果表明其过早脆断主要是加工不当引起，其柄部加工偏心导致吊钩所受应力集中偏向　于一侧，该侧螺纹根部因应力集中而首先产生裂纹并迅速扩展，最终导致脆性断裂。提高加工精度，注意　装配时的工艺检查，能有效防止类似失效的再次发生。　［关键词】：吊钩；脆性断裂；应力集中　中图分类号：ＴＧ１１１．９１　文献标识码：Ｂ　文章编号：ＣＫＮ字０７—００３（２０１１）０１－０３５—０４　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃｒａｍｐｏｎｓ　Ｗａｎｇ　Ｚｈｅｎ，Ｚｅｎｇ　Ｈｕｉｓｈｕ　（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｓｈａｏｇｕａｎ　Ｆｏｕｎｄｒｙ　ａｎｄ　Ｆｏｒｇｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈａｏｇｕａｎ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，５１２０３１　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　５ｔ　ｌｏｎｇ　ｈｏｏｋ　ｆｒａｃｔｕｒｅｓ　ａｆｔｅｒ　ｕｓｉｎｇ　ｆｏｒ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　ｓｉｘ　ｍｏｕｔｈｓ．Ｆｒａｃｔｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｍｅｔａ／ｌｏｇｒａｐｈｉｃ　ｔｅｓｔ，　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｌ＇ｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｈｏｏｋ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｅｍａｔｕｒｅ　ｂｒｉｔｔｌｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｉｍｐｒｏｐｅｒ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ　ｓｈａｎｋ，ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｃａｕｓｅｓ　ｈｔｅ　ｐａｒｔｉｌａ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｏｎｅ　ｓｉｄｅ，ｗｈｏｓｅ　ｈｔｒｅａｄ　ｒｏｏｔ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｂｒｉｎｇｓ　ａｂｏｕｔ　ｃｒａｃｋｓ　ａｔ　ｉｆｒｓｔ　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｒａｐｉｄ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｌｅａｄｓ　ｔｏ　ｂｒｉｔｔｌｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅ．Ｔｈｕｓ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｔｏ　ｐａｙ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｈｅｃｋ　ｏｆ　ｈｔｅ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃａｎ　ｐ￣ｖｅｎｔ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｆｒｏｍ　ｈａｐｐｅｎｉｎｇ　ａｇａｉｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄ：ｃｒａｍｐｏｎ；ｂｒｉｔｔｌｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅ；ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　四川工程职业技术学院学报某厂生产的５ｔ长吊钩，客户在使用半年后发生　１　ａ、ｂ所示，断口较平整，存在放射条纹花样，为典　断裂，断裂部位在吊钩柄部螺杆处，该处外径为　型的脆性断口ｆＩ】，见图２。根据放射条纹花样的指向，　３７．９ｒａｍ，柄部直径为４４．５ｍｍ，吊钩设计材料为２０　发现裂源位于螺纹底部台阶处（网２箭头指示处）。　钢，经锻造加工而制成，吊钩额定起吊重量为５ｔ。　在吊钩柄部裂纹源的下方，发现有明显的周向划痕　（图１ｂ箭头指示处），而另一侧则比较光滑，见图　１断裂吊钩的宏观形貌　１Ｃｏ仔细观察吊钩柄部，发现柄部加工存在偏心的情　肉眼观察，吊钩的断裂部位位于螺杆与横梁咬　况，见图３。　合的最后一个丝扣处，断裂面与轴线垂直，如图　【收稿日期】２０１Ｏ－１１—２９　【作者简介】王真（１９７４一），男，广东省韶铸集团有限公司；研究方向：质量管理。　四川工程职业技术学院学报圈　王真曾会书程技术研究与应用主持：起重吊钩失效分析　李艳　图１断裂吊钩宏观形貌　图２断口宏观形貌　Ｆｉｇ．１　Ｍａｃｒｏｇｒａｐｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅｄ　ｌｉｆｔｉｎｇ　ｈｏｏｋ　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｍａｃｒｆｏｒａｃｔｕｒｅ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｌｉｆｔｉｎｇ　ｈｏｏｋ　图３吊钩柄部ｍ－ｒ情况　Ｆｉｇ．３　Ｌｉｆｔｉｎｇ　ｈｏｏｋ　ｓｈａｎｋ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　析，依据ＧＢ／Ｔ１０５６１—２００５｛钢中非金属夹杂物含量　２金相检验　的测定标准评级图显微检验法》评定其非金属夹杂　在吊钩柄部切片做低倍酸蚀检验，根据　物为：Ａ０．５，Ｂ０，ＣＯ，Ｄ１．０，Ｄｓ０，试样经４％硝酸酒精　ＧＢ／Ｔ１９７９—２００１《结构钢低倍组织缺陷评级图》评定　溶液浸蚀后观察，其显微组织为铁素体＋细片状珠　其一般疏松０．５级、中心疏松０．５级，试验结果表明　光体，实际晶粒度为７．０级，如图４所示。检验结果　其低倍组织正常；在断口附近取样做高倍金相分　表明其夹杂物在合格范围，显微组织正常。　图４断裂吊钩的显微组织　Ｆｉｇ．４　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅｄ　ｌｉｆｔｉｎｇ　ｈｏｏｋ　工程技术研究与应用主持．，于艳　光谱仪对其进行化学成分分析，结果见表１　。分析结　３化学成分分析　果表明，其化学成分符合２０钢的标准要求。　在断裂吊钩的断口附近取样，使用ＳＰＥＣＴＲＯ　表１吊钩的化学成分（质量分数）％　Ｔａｂ．１　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｆｔｉｎｇ　ｈｏｏｋ（ｗｔ）％　４机械性能试验和断裂面力学性能校核见表　惹　蓍　４．１机械性能试验　项性能均满足标准要求。　表２吊钩的机械性能　Ｔａｂ．２　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｆｔｉｎｇ　ｈｏｏｋ　４．２断裂面力学性能校核　ＣＯＳ仅＝４９１５９．６Ｎ，Ｑｗ＝Ｑ・ｓｉｎ　＝１９８．６３Ｎ，拉伸应力　已知吊钩螺栓联接处轴颈尺寸　１＝３７．９０ｍｍ，　ｒｏ　Ｉ＝Ｔ／Ａ＝４３．５８ＭＰａ，　弯曲应力　ｏｒ　ｗ＝Ｍ／Ｗｚ＝２２．　外径　２＝５８ｍｍ；２０号钢屈服强度Ｒｄ＝２９３ＭＰａ，锻造　０８７ＭＰａ，弯矩Ｍ＝ＱＷ・ＯＴ＝ｌｌ７．９９Ｎｍ，危险截面抗弯　吊钩直柄部分在拉伸应力下的许用应力［Ｏ－】＝ｏｒ　ｓ１５ｔ３１　截面系数Ｗｚ＝竹・　／３２［４１＝５．３４２　Ｘ　１０　，当量应力　＝５８．６ＭＰａ。　盯＝【『　＿十【『ｗ＝６５．６６７Ｍｐａ，极限载荷下的许用应力为　４．２．１吊钩在静拉伸载荷作用下的应力　王真曾会书起重吊钩失效分析　１．７【ｏｒ】＝９９．６２Ｐａ。由于盯＝６５．６６７ＭＰａ＜９９．总载荷Ｑ＝Ｑ载荷十Ｑ吊钩＝４９十０．１６＝４９．１６ＫＮ；　四川工程职业技术学院学报６２Ｍｐａ，吊　钩处于安全状态。所以吊钩起吊重物倾斜角在允许　在静载荷Ｑ作用下，吊钩尾部危险断面处只受拉伸　范围内，吊钩处于安全状态。　作用，其拉伸应力为　Ｌ＝Ｑ／Ａ＝４３．５９７７２Ｍｐａ，式中Ａ　为危险断面处面积，Ａ＝１／４×１Ｔ　Ｘ　０．０３７９２＝０．Ｏ０　１　１　２８ｍ　。　由于　Ｉ．＜［１３１＂】，符合安全条件，许用应力比工作　口ｗ　应力高２５％，安全裕度较大，因而是安全的。　４．２．２吊钩在静拉伸和弯曲载荷作用下的应力　实际上起重吊钩在作业过程中，都存在一个起　吊倾斜角，５ｔ吊钩锻件技术要求为钩腔中心与柄部　中心的允许偏差为≤２ｒａｍ。吊钩上部危险断面处不　仅产生拉伸应力，同时产生弯曲应力，示意图见图　５。断裂面到钩腔底部长度为４９５ｍｍ，在允许偏差　２ｍｍ范围内，仅＝ｔｇ　＝０．２３１５。　，则Ｔ＝Ｑ‘　图５吊钩受力示意图　Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｆｔｉｎｇ　ｈｏｏｋ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｓｔｒｅｓｓ　四川工程职业技术学院学报工程技术研究与应用主持：李艳　４．２．３柄部加工偏心后吊钩在静拉伸和弯曲载　荷作用下的应力　王真曾会书起重吊钩失效分析　载荷明显增加，导致吊钩处于不安全状态；而螺杆　与柄部的过渡处（螺纹根部）由于半径最小，所以是　应力最大的部位，当吊钩负载运动时，螺纹根部的　划沟就成为应力集中的作用点，导致裂纹在该处萌　生；因柄部加工偏心而使吊钩已没有安全裕度，所　以裂纹一旦萌生便迅速扩展而形成脆断。　吊钩柄部加工情况如图３，可计算出钩加工后　光杆与原吊钩柄部偏心１．６ｍｍ，所以实际起重吊钩　在作业过程中起吊倾斜角增大（见图５，ＯＴ实测　４９５ｍｍ），以柄部端面中心为原心，加工部分长　１６０ｍｍ，　＝ｔｇ－’　＝０．５７２９。，则Ｔ＝Ｑ’　６结论　吊钩杆断裂为典型的脆性断裂，加工不当，凹　ＣＯＳＯＬ￣９１５７．５Ｎ，Ｑｗ＝Ｑ・ｓｉｎ　＝４９１．５４Ｎ，拉伸应力　固　盯　－－Ｔ／Ａ＝４３．５８ＭＰａ，弯曲应力　ｗ＝Ｍ／￣ｒｚ＝５４．７ＭＰａ，弯矩Ｍ＝Ｑｗ・ＯＴ＝２９１．９７５Ｎｒｎ，　危险截面抗弯截面系数Ｗｚ＝　・　／３２＝５．３４２×　１０　ｍ　，当量应力盯＝盯Ｉ＋．仃ｗ＝９８．２８Ｍｐａ，极限载荷下　的许用应力为１．７［盯】＝９９．６２ＭＰａ。　由于　＝９８．２８ＭＰａ，应力接近设计的许用应　力，安全裕度已基本没有，因而实际上是不安全的。　所以吊钩歪斜时受拉一边的应力将会明显增加，比　许用应力大的多，导致吊钩处于不安全状态。　５分析与讨论　该吊钩材料化学成分符合２０钢的标准要求，　金相组织正常，力学性能良好。吊钩柄部裂源下的　周向划痕，是由于加工偏心导致吊钩转动的时候杆　部与横梁内孔摩擦形成的，说明加工不当使起重吊　钩在作业过程中存在一个较大的起吊倾角，吊钩所　受应力集中偏向于一侧，因而吊钩柄部一侧所受的　槽处应力集中是吊钩断裂的主要原因。鉴于上述分　析，由于吊钩杆的断裂与加工精度、起吊方式、载荷　大小以及使用频率等有关，因而建议：　（１）加工要精细，注意加工质量检查，避免加工　不当使起重吊钩在作业过程中存在一个起吊倾斜　角，并且提高装配时的检查。　（２）起吊应缓慢，避免产生冲击载荷；　（３）吊钩在工作过程中严禁超载；　【参考文献】　【１】崔约贤，王长利．金属断口分析【Ｍ】．哈尔滨：哈尔滨工业大　学出版社，１９９８：５３　【２】ＧＢ／Ｔ６９９—１９９８优质碳素结构钢ＩＳ】　【３】张质文，虞和谦，王金诺等．起重机设计手册【Ｍ】．｜匕京：中　国铁道出版社．１９９８：２５３　【４１唐建群，张礼敬，巩建呜等．吊钩断裂原因分析Ⅱ】．理化检　验一物理分册。２００４，４０（３）：１４０