液壓工程挖掘機車輪鋼圈斷裂失效分析

朱磊

摘要：液壓工程機在工程領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，其產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和安全性將為生產(chǎn)建設(shè)提供可靠保障。工程機車輪在更換過程中容易發(fā)生鋼圈斷裂的情況，從而會引發(fā)安全事故，因此要盡量避免此類事故的發(fā)生。文中著重從宏觀檢查、微觀檢測、鋼圈拉伸試驗、鋼圈化學(xué)成分鑒定等方面分析鋼圈斷裂失效原因，從而得出斷裂的主要原因為鋼圈疲勞，鎖環(huán)表面溝槽圓角處表面存在大量氧化鐵雜質(zhì)，加快了鋼圈疲勞速度，加上鋼圈生產(chǎn)工藝導(dǎo)致的材質(zhì)分布不均勻，最終造成鋼圈發(fā)生疲勞斷裂狀況。

Abstract： Hydraulic engineering machines are widely used in the engineering field， and the reliability and safety of their product quality will provide a reliable guarantee for production and construction. Construction locomotive wheels are prone to breakage of steel rims during the replacement process， which will cause safety accidents. Therefore， it is necessary to avoid such accidents as much as possible. This article focuses on analyzing the reasons for the failure of the steel ring from the aspects of macroscopic inspection， microscopic inspection， steel ring tensile test， and chemical composition identification of the steel ring. It is concluded that the main cause of the fracture is steel ring fatigue， and the surface of the groove on the surface of the lock ring There are a large amount of iron oxide impurities， which speeds up the fatigue rate of the steel ring， and the uneven material distribution caused by the steel ring production process will eventually cause the steel ring to undergo fatigue fracture.

關(guān)鍵詞：工程機車輪;鋼圈;斷裂;失效性分析

Key words： engineering locomotive wheel;steel ring;fracture;failure analysis

中圖分類號：TU621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0123-02

0? 引言

國民經(jīng)濟的發(fā)展離不開各種各樣的工程機車，尤其是液壓工程機車在工程領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。而機車設(shè)備的安全可靠運轉(zhuǎn)是保證安全生產(chǎn)的必要條件。然而由于生產(chǎn)工藝的差異和工作環(huán)境的優(yōu)劣，工程設(shè)備的零部件都會不同程度的出現(xiàn)磨損和失效，從而會引發(fā)各種意外事故，甚至威脅著運行操作人員的生命安全。因此必須重視設(shè)備零部件的失效問題，找出根源，不斷改進和完善，提高產(chǎn)品質(zhì)量。產(chǎn)品失效性分析是質(zhì)量監(jiān)督管理的重要環(huán)節(jié)，在質(zhì)量鑒定工作中被廣泛采納和應(yīng)用。本文將通過實例來分析鋼圈斷裂的原因，從來說明鋼圈失效性分析的重要性和必要性。

1? 失效性分析概述

失效性分析是廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的一種重要的方式，是一門發(fā)展中的新興學(xué)科。一般根據(jù)失效性模式和現(xiàn)象，通過分析和試驗，模擬失效性過程，找出失效原因，分析失效的機理。從而為提高產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品修復(fù)提供可靠的依據(jù)，具有很強的實際意義。一般其分析方法包括有損分析、無損分析、物理分析、化學(xué)分析等。失效機制是設(shè)備零部件失效的物理或化學(xué)過程。導(dǎo)致失效的原因分為內(nèi)部原因和外部原因，一般從外部原因入手，通過零部件的失效形式入手，進一步研究其內(nèi)部原因，從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律和機理。通常采用數(shù)理統(tǒng)計方法，構(gòu)成表示失效機制、失效方式、失效頻度、失效經(jīng)濟損失之間關(guān)系等的排列圖，以便找出必須首先要解決的主要失效機制和部位。

2? 鋼圈斷裂分析

2.1 斷裂鋼圈描述

文中選取實際工程環(huán)節(jié)中出現(xiàn)斷裂的鋼圈，該車輪鋼圈在拆裝檢修時發(fā)現(xiàn)有一半以上的陳舊性裂紋，且由于使用時間較長，鋼圈表面存在不同程度的刮痕和外力導(dǎo)致的溝壑。在拆裝更換鋼圈時，若車輪內(nèi)的氣體壓力較大，鋼圈突然承受較大壓力，有可能會造成鋼圈斷裂現(xiàn)場，嚴重時可能會造成人身安全事故。因此實際生產(chǎn)中需要定期對鋼圈進行全面細致的檢查和分析，及時消除隱患，保證設(shè)備安全可靠運行。

2.2 宏觀檢查

通過外觀測量，鋼圈兩端外徑分別為700mm和650mm，圈體壁厚度為13mm，高度為400mm。斷裂處發(fā)生在外徑較小的一端，即650mm處。裂紋從鎖環(huán)溝槽底部產(chǎn)生，延伸至鋼圈周圍，形成兩段斷裂，一段為大部分的圈體，另一部分為面積較小的環(huán)圈。

通過仔細觀察環(huán)圈的斷口，其主要存在以下特征：

①斷口處位于鋼圈一半以上的老舊斷面和小部分新斷面之間。老舊斷面的斷口組織較細小，位于終斷面的對面位置，長度約25mm的局部斷裂面大致從鋼圈外壁到內(nèi)壁的整個區(qū)域是較為平整的細小裂紋。從該區(qū)域開始沿著鋼圈表面呈現(xiàn)出從低到高的尖狀傾斜斷面，類似鋸齒狀的截面。從觀察的結(jié)果可以看出斷裂的發(fā)生是從局部向外延伸的，一半以上的斷面區(qū)域是由于局部受較大應(yīng)變力而形成的疲勞輝紋。但斷口處的鋼圈壁厚沒有明顯變化，因此該斷裂面判斷為脆性斷裂口。

②端口區(qū)域存在兩處表面較為粗糙的裂紋，剩余部分為剪切塑性變形的滑移斷裂特征。從以上斷面特征綜合分析可以得出該斷裂情況屬于脆性斷裂，是由于鋼圈長期疲勞運行，當受到較大外界應(yīng)變力時而發(fā)生了斷裂。疲勞源處于終斷面對面約30mm長的平坦斷口面。通過仔細查閱輪胎尺寸和密封圈裝配流程和對鋼圈受力的細致分析可知疲勞區(qū)域處于鋼圈外鎖環(huán)溝槽的圓角過渡區(qū)域。該處受力不均勻，且有可能長期處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)，加之鋼圈加工過程中會存在一定程度的雜質(zhì)，導(dǎo)致該區(qū)域容易發(fā)生疲勞性斷裂現(xiàn)象。在經(jīng)過以上的初步判斷之后，下面將進行更為詳盡細致的試驗分析。

2.3 力學(xué)性能測試

對出現(xiàn)斷裂的鋼圈進行取樣，然后在樣品處分別選取兩處A點和B點進行拉伸試驗，按照GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》檢測樣品的抗拉強度和伸長率。通常用屈服點、抗拉強度和拉伸率對鋼材樣本進行測試評價。屈服點是指樣本在拉伸時，當應(yīng)力超過彈性極限，即使不再增加應(yīng)力，而樣本仍會發(fā)生明顯變形，此時的最小應(yīng)力值即為屈服點，單位為MPa?？估瓘姸仁墙饘儆删鶆蛩茏冃蜗蚓植考兴苄宰冃芜^度的臨界值?？估瓘姸仁潜硎静牧献畲缶鶆蛩苄宰冃蔚目沽Γ瑔挝粸镸Pa。伸長率是指樣本在被拉伸斷裂后，原始標距的伸長與原始標距之比百分率。通過實驗可知A、B兩處的屈服點δs分別為330MPa和340MPa，抗拉強度δb分別為510MPa和505MPa，兩處的伸長率分別為25%和27%。通過查閱鋼圈材質(zhì)的出廠說明可知，從試驗測試得到的數(shù)據(jù)符合抗拉強度和伸長率的標準要求。因此車輪鋼圈在出廠時完全符合相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量要求。

2.4 化學(xué)成分分析

按照JB/T7154-93《輪式工程機械車輪用型鋼技術(shù)條件》要求，工程機車輪鋼圈應(yīng)達到Q235，A級。從實驗鋼圈上隨機挑選實驗樣本，依據(jù)GB/T224《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》進行化學(xué)成分的檢測和分析。通過化驗可知各化學(xué)元素含量分別為：碳元素0.13%、硅元素0.38%、錳元素1.21%、磷元素0.020%、硫元素0.024%，各成分含量均符合國標要求。通過力學(xué)性能測試和化學(xué)成分的分析可以得出該鋼圈的材料選取都符合國家標準要求，因此排除了因材料質(zhì)量原因?qū)е碌牧鸭y。接下來要對試驗樣本進行更為全面深入的實驗分析。

2.5 掃描電鏡檢查

分別在斷裂面的疲勞源區(qū)、疲勞擴展區(qū)和終斷區(qū)選取樣本，觀測斷口處的微小特征。在疲勞源區(qū)和疲勞擴展區(qū)發(fā)現(xiàn)了明顯的疲勞輝紋現(xiàn)象。終斷區(qū)粗糙斷口呈現(xiàn)脆斷特征和滑移切變塑性斷口特征。從以上斷裂特征可以分析得出此案例中的鋼圈斷裂確實為疲勞運行所致。下面對導(dǎo)致疲勞的原因進行進一步的研究分析。

2.6 電子金相檢查

為了進一步發(fā)現(xiàn)疲勞源區(qū)的特征，在電鏡下對樣本進行了截面金相組織檢查。存在以下特征：①在疲勞源區(qū)的斷口處附近存在大量的氧化鐵雜質(zhì)，其分布趨勢與斷口處保持平行方向，呈片狀分布。在鎖環(huán)溝槽處的圓角表面氧化鐵分布明顯增多，氧元素和鐵元素的含量可達到36%和67%。除此之外還包含少量的硫元素和錳元素，含量基本在0.5-1.0%之間。從元素能譜分析結(jié)果可以得出斷口處的氧化鐵含量極高，這也是前期分析得出鋼圈斷裂主要是由于斷口處的氧化鐵等雜質(zhì)導(dǎo)致的脆性斷裂的有力佐證。②對斷裂源區(qū)的斷裂臺階處截面取樣分析可知此處同樣含有較大比重的氧化鐵雜質(zhì)。該斷裂處于鋼圈的底部顯著分離，也是由于鋼圈疲勞運轉(zhuǎn)造成的斷裂現(xiàn)象，且造成該斷裂的主要原因也是較高含量的氧化鐵成分加劇了材質(zhì)本身疲勞的速度，減少了鋼圈運行壽命，最后因積累效應(yīng)導(dǎo)致脆性斷裂。金屬材料在生產(chǎn)加工過程中由于工藝水平的不同和生產(chǎn)環(huán)境的優(yōu)劣，會夾雜各種雜質(zhì)。這些雜質(zhì)的存在不僅破壞了材料本身的連續(xù)均勻分布，同時也使材料在受到外界應(yīng)力時不能均勻分散外力，造成受力不均勻，各點受到的壓強就會不同，這樣大大降低了材料的抵抗力。這種情況隨著時間積累產(chǎn)生的沖量作用，在材料運行過程中就會在某一時刻突然發(fā)生變形或者斷裂。這種斷裂通常會沿著雜質(zhì)與周圍基體之間的交界面發(fā)生，從而形成疲勞裂紋。③在鋼圈斷裂處的截面上有一條狀夾層帶，顏色較深。通過化學(xué)分析可知該夾層帶主要化學(xué)成分為碳，這說明鋼圈材質(zhì)具有不均勻性，這對車輪鋼圈的強度和抗疲勞性有很大影響。通過電金相檢查可以得知鋼圈鎖環(huán)圓角區(qū)域從表面向鋼圈內(nèi)部分布的氧化鐵雜質(zhì)是造成鋼圈斷裂的直接原因。同時由于鋼圈材質(zhì)分布不均勻，當發(fā)生斷裂時裂紋會延著碳含量較高的夾層帶擴散，最終導(dǎo)致鋼圈發(fā)生脆性斷裂。

3? 改進措施和建議

①科學(xué)選取原材料。鋼圈材料的優(yōu)劣直接決定了鋼圈的壽命，因此在選用生產(chǎn)材料時要嚴格把關(guān)，要遵守國家質(zhì)量監(jiān)督管理部門的法律法規(guī)，解決杜絕劣質(zhì)產(chǎn)品。②改進生產(chǎn)工藝。隨著工程實際的需要，鋼圈要適應(yīng)越來越復(fù)雜的工作環(huán)境，因此要不斷改革創(chuàng)新，改進生產(chǎn)工藝，最大程度降低材料的雜質(zhì)含量，提高鋼圈的抗拉伸能力。在鋼圈的制造和裝配過程中都要嚴格遵守生產(chǎn)規(guī)程，減少次品概率，并在出廠在之前要進行嚴格的抗拉伸試驗和質(zhì)量監(jiān)督管理。③重視維護和保養(yǎng)。在工程實際中要注意車輪使用的環(huán)境，避免撞擊影響鋼圈安全的硬物，避免于外面發(fā)生猛烈撞擊，減少惡劣環(huán)境的使用頻率。同時要定期對車輪鋼圈進行檢查和養(yǎng)護，及時清理附著物。對已經(jīng)產(chǎn)生的劃痕或裂紋要進行及時修復(fù)。在車輪進行拆裝更換時，要先進行泄壓，防止輪胎內(nèi)壓對有裂紋的鋼圈造成突然的外力而導(dǎo)致鋼圈斷裂。

4? 結(jié)論

通過以上試驗結(jié)果可知，斷裂鋼圈的壁厚截面上存在一條顏色較深的夾層帶，該夾層帶的主要化學(xué)成分為碳元素，是一條金屬組織帶，這表明鋼圈材質(zhì)不均勻。鋼圈的斷裂是由于鋼圈長期運轉(zhuǎn)，在疲勞狀態(tài)下受到外界應(yīng)變力而發(fā)生的脆性斷裂。疲勞源位于鋼圈溝槽鎖環(huán)圓角處。通過化學(xué)成分的分析可知該圓角區(qū)域的氧化鐵含量非常高。在鋼圈遭受外界壓力時，裂紋從圓角區(qū)域表面向鋼圈內(nèi)部延伸擴展，隨著壓力作用時間的不斷積累，最終導(dǎo)致了大面積的斷裂現(xiàn)象。

因此車輪鋼圈在實際生產(chǎn)中一方面要保證材料本身的質(zhì)量，不斷改進和優(yōu)化生產(chǎn)工藝，減少雜質(zhì)的存在，保證鋼圈的出廠質(zhì)量。另一方面要定期對鋼圈進行檢查和保養(yǎng)，及時發(fā)現(xiàn)隱患，避免斷裂事故的發(fā)生。

參考文獻：

[1]陳南平，顧守仁，沈萬慈.機械零件失效分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，1988.

[2]王金星，張力，梁紅.齒輪軸失效分析[J].材料導(dǎo)報，2007，21（5A）：490-491.

[3]姜樹成，李曉軍，潘建華. 液壓工程車輪鋼圈失效分析[J].液壓氣動與密封，2008（05）：50-53.