液壓挖掘機銷軸斷裂分析

宋延澤，沈才華，初長祥

(1.廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007;2.重慶大學(xué)，重慶 400030)

0 引言

工程設(shè)備的安全運轉(zhuǎn)是各種生產(chǎn)、工程等領(lǐng)域安全生產(chǎn)的前提條件，然而由于機械零件的失效，往往會造成較大的損失［1］。所謂機械失效，是指工程構(gòu)件或機械零件的尺寸、形狀或材料性能在某種外界因素的作用下發(fā)生變化，甚至發(fā)生局部或整體的破斷，導(dǎo)致其無法或不能滿意地執(zhí)行預(yù)定的功能［2］。

銷軸是機械設(shè)備廣泛采用的重要連接部件，工作過程中，環(huán)境往往比較惡劣，常常承受著復(fù)雜的交變載荷作用，因此極易發(fā)生斷裂事故。許多專家、學(xué)者及工程師等針對銷軸容易斷裂的現(xiàn)狀開展了多方面的研究，旨在提高其抗疲勞性能。如，李家武等［3］應(yīng)用有限元方法對典型銷軸進行了受力分析，得到了銷軸工作過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，找出最危險點的位置及應(yīng)力值，為銷軸及相關(guān)部件的改進設(shè)計提供了很好的依據(jù)。徐進永等［4］則從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面研究了工程機械鉸接銷軸的優(yōu)化問題。趙永利等［5］從工藝方面研究了防止銷軸淬火開裂的措施。這些研究成果都為提高銷軸的疲勞強度做出一定的貢獻。更為直接的是開展疲勞實驗的研究，何建偉等［6］就進行了銷軸的彎曲疲勞強度的實驗研究。銷軸失效后及時收集信息并開展綜合的失效分析，然后提出改進措施，指出提高疲勞強度對于工程實際更有意義。馮少陵［7］、馮耀榮等［8］、蒙秋紅等［9］通過斷口宏觀分析、金相分析、化學(xué)成分分析等方法對銷軸的斷裂原因進行了綜合研究，并提出相應(yīng)的改進措施。

最近，某型挖掘機在作業(yè)過程中銷軸發(fā)生斷裂，該銷軸屬于連接工作裝置的重要部件［9－10］，工作時間僅為幾十h，屬于早期失效。斷裂銷軸用于連接鏟斗油缸和連桿，銷軸斷裂位置如圖1所示。銷軸材料牌號為40Cr，經(jīng)過調(diào)質(zhì)(255～302 HB)、粗車、精車、表面淬火(56～60 HRC)及磨削等工藝加工而成。為查明失效原因，對失效銷軸進行宏觀觀察、金相組織分析、化學(xué)成分分析、硬度檢測及力學(xué)性能檢驗等綜合研究。

圖1 銷軸斷裂位置示意圖Fig.1 Sketch of the fractured pin

1 宏觀觀察

將失效銷軸斷面附近切割后近距離觀察。斷口表面無宏觀塑性變形，斷裂銷軸表面有擴展裂紋(圖2)，斷口心部成粗晶狀斷裂(圖3)。斷口呈現(xiàn)“人字形”花樣，屬于典型的脆性斷裂。

2 材質(zhì)分析

2.1 金相檢驗

從銷軸斷裂部位取樣，經(jīng)制樣→打磨→拋光，再用4%(質(zhì)量分數(shù))的硝酸酒精腐蝕后，采用萊卡DMI5000型金相顯微鏡對銷軸組織進行觀察。銷軸工作表面經(jīng)過淬火后形成馬氏體組織。當(dāng)形成針狀馬氏體組織時銷軸具有較高的強度、硬度和良好的耐磨性及耐沖擊性，能夠提高抗疲勞性能［11］;但是由于表面淬火工藝處理不當(dāng)，加熱溫度過高，使得馬氏體組織較粗(圖4)，依據(jù)JB/T 9204—2008［12］標準可評定為 2.5 級。晶粒度越大，材料或構(gòu)件的強度會越低。

圖4 銷軸表層組織Fig.4 Microstructure near the surface of the pin

圖5為銷軸心部組織，為回火索氏體+屈氏體 + 條塊狀鐵素體，依據(jù) GB/T 13320—2007［13］標準評級圖，銷軸心部組織等級為6級，表明心部組織的晶粒度較大。經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，銷軸心部的大部分組織由索氏體組成，心部韌性得到保證，從而銷軸的力學(xué)性能得到一定程度的提高;但是，從組織看，該工藝未能達到預(yù)期效果，粗大的索氏體在一定程度上降低了銷軸的強度，在裂紋擴展過程中，這種組織反而起到了推波助瀾的作用。

圖5 銷軸心部組織Fig.5 Inner microstructure of the pin

2.2 硬度檢測

依據(jù)標準 JB/T 9204—2008［12］從銷軸斷面附近截取試樣，采用HV1－10A型維氏硬度計沿銷軸橫截面徑向從表面向心部逐點測量硬度，結(jié)果見表1。

硬度檢驗結(jié)果表明:淬硬層深度為5.84mm，表層硬度為60 HRC，符合要求;但是，銷軸心部硬度為222 HB，不符合設(shè)計要求，導(dǎo)致銷軸整體強度較低，加速了裂紋擴展。

2.3 化學(xué)成分分析

從銷軸上取樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2?？梢姡N軸的化學(xué)成分符合 GB/T 3077—1999［14］的要求。

表1 銷軸硬度檢測結(jié)果Table 1 Hardness testing results of pin

表2 銷軸化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 2 Chemical composition of pin(mass fraction/%)

2.4 力學(xué)性能檢驗

從銷軸上截取拉伸和沖擊試樣(圖6、圖7)。根據(jù)標準 GB/T 3077—1999［14］在 WE－300A 型材料萬能試驗機和JB－30型沖擊試驗機上對銷軸試樣進行力學(xué)性能測試，結(jié)果見表3，可見強度不符合技術(shù)要求。

圖6 拉伸試樣示意圖Fig.6 Sketch of tensile specimen

圖7 沖擊試樣示意圖Fig.7 Sketch of impact specimen

表3 銷軸力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of pin

3 分析與討論

圖8 纖維區(qū)Fig.8 Fiber area

活塞桿和連桿對銷軸擠壓，在銷軸表面形成應(yīng)力集中區(qū)域，給裂紋的產(chǎn)生創(chuàng)造了有利條件。另外，從纖維區(qū)(圖8)觀察，表面淬火過程中由于溫度過高，在次表層產(chǎn)生粗大晶粒，大大降低了銷軸表層的強度，從而產(chǎn)生初始裂紋，成為銷軸斷裂的主要原因。機器作業(yè)過程中，由于受到非常復(fù)雜的載荷作用，再加上心部組織調(diào)制處理不當(dāng)，導(dǎo)致銷軸強度降低，加速了裂紋擴展，在斷面形成放射區(qū)(圖9)。當(dāng)剩余截面無法承受機器作用力時銷軸最終發(fā)生斷裂(圖10)，形成剪切唇。

圖9 放射區(qū)Fig.9 Radiation area

圖10 剪切唇Fig.10 Shear lip

4 結(jié)論

通過采用宏觀觀察，金相組織、硬度、化學(xué)成分及力學(xué)性能檢測等手段，對失效銷軸進行了綜合分析，得出如下結(jié)論:

1)銷軸失效性質(zhì)為脆性斷裂;

2)銷軸脆性斷裂的主要原因為活塞桿和連桿對銷軸擠壓，在銷軸表面形成應(yīng)力集中以及表面淬火不合格;

3)銷軸調(diào)質(zhì)處理不符合要求，力學(xué)性能不合格，銷軸強度低進一步加速了裂紋擴展。

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［2］崔約賢，王長利.金屬斷口分析［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

［3］李家武，彭鐸.典型銷軸的有限元計算研究［J］.建筑機械化，2005，6(10):50－51.

［4］徐進永，閻樹嶺.工程機械鉸接銷軸結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.建筑機械，1997，5:18－19.

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［12］全國熱處理委員會.JB/T 9204—2008鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗［S］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［13］全國鍛壓標準化技術(shù)委員會.GB/T 13320—2007鋼質(zhì)模鍛件金相組織評級圖及評定方法［S］.北京:中國標準出版社，2007.

［14］全國鋼標準化技術(shù)委員會.GB/T 3077—1999合金鋼結(jié)構(gòu)［S］.北京:中國標準出版社，1999.