分享:某挖掘机高强螺栓断裂原因分析

发布时间:2022-08-06 16:57:16 来源:hth华体会最新app下载 作者:正规华体会官网app下载

内容简介:  某挖掘机连接下车架与回转支承的36支高强螺栓在使用过程中全部发生断裂.采用 宏观检验、化学成分分析、力学性能测试、金相检验等方法,结合螺栓装配、挖机工况等因素,对该批 螺栓断裂的原因进行了调查分析.结果表明:螺栓断裂的性质为疲劳断裂;断裂的原因是螺栓装配 不良,导致螺栓在使用中轻微松动,在挖掘机工作过程中的剪切力作用下,螺栓松动处产生疲劳裂 纹,最终导致螺栓断裂.  中图分类号:TG115.2文献标志码:B文章编号:1001G4012(2017)03G0204G04  高强螺栓是挖掘机上连接重要零部件的主要零 件,螺栓本身的制造质...

  某挖掘机连接下车架与回转支承的36支高强螺栓在使用过程中全部发生断裂.采用 宏观检验、化学成分分析、力学性能测试、金相检验等方法,结合螺栓装配、挖机工况等因素,对该批 螺栓断裂的原因进行了调查分析.结果表明:螺栓断裂的性质为疲劳断裂;断裂的原因是螺栓装配 不良,导致螺栓在使用中轻微松动,在挖掘机工作过程中的剪切力作用下,螺栓松动处产生疲劳裂 纹,最终导致螺栓断裂.

  中图分类号:TG115.2文献标志码:B文章编号:1001G4012(2017)03G0204G04

  高强螺栓是挖掘机上连接重要零部件的主要零 件,螺栓本身的制造质量和装配质量对螺栓的使用 性能有直接影响.某挖机在使用1128h后出现连 接下车架与回转支承的36支紧固高强螺栓全部断 裂的故障,不仅给用户造成了停工损失,也给主机厂 造成了很大的经济损失.

  该高强螺栓材料为40Cr钢,尺寸为M22mm× 75mm,强度级别为10.9级.螺栓的生产工艺流程 为:热轧盘→冷拔→球化(软化)退火→机械除锈→ 酸洗磷化→冷拔→冷镦成形→螺纹加工→热处理→ 检验.为了彻底查清该高强螺栓断裂的原因并预防 故障的再次发生,笔者对其进行了检验和分析.

  挖机作业现场的36支高强螺栓全部断裂,返回 工厂进行检验和分析的螺栓共计16支,其余螺栓未 返回.返回的16支断裂螺栓长度基本一致,螺栓原 长75mm,断裂后长度50mm,断裂螺栓外观见图1.

  螺栓断口宏观形貌见图2,其中方框区域为疲 劳断口的扩展区.16支断裂螺栓中,全疲劳断口的 螺栓有6件,见图2(a);半疲劳断口的螺栓有4件, 见图2(b);小面积疲劳断口的螺栓有2件,见图2 (c);过载断口的螺栓有4件,见图2(d).小面积疲 劳断口和过载断口主要是由于过载断裂引起的,因 此下面主要对全疲劳断口和半疲劳断口进行分析. 从图2(a),(b)中的螺栓断口宏观形貌可以看 出,断裂部位没有明显的宏观塑性变形痕迹,断裂起 源于螺纹牙底位置,断口表面有明显的裂纹扩展留 下的海滩状花纹,说明断口为疲劳断口,断裂属于疲 劳断裂.裂纹源处存在较多的台阶,说明裂纹并非 起源于一点而是起源于多处.图2(a)和(b)中断口 的疲劳扩展区面积分别约占整个断口面积的95% 和50%,表 明 螺 栓 在 使 用 过 程 中 承 受 的 应 力 较小[1].

  对断裂螺栓取样,使用 QRG4D型碳硫分析仪和 JSG5型电脑多元素分析仪进行化学成分分析,结果 如表1所示.可见螺栓材料的化学成分符合 GB/T 3077-2015«合金结构钢»对40Cr钢的成分要求.

  由于断裂后的螺栓长度不够,因此无法进行拉 伸试验.对断裂螺栓取样进行硬度试验和冲击试 验,硬度测试的部位为螺栓的六方头,冲击试验的取 样位置接近螺纹表面,试验结果见表2,可见结果符 合 GB/T3098.1-2010«紧固件机械性能 螺栓、螺 钉和螺柱»对10.9级螺栓的要求.

  使用 SJPG6A 型 金 相 显 微 镜 对 断 裂 螺 栓 进 行 金相检验,结 果 显 示 螺 栓 的 显 微 组 织 为 细 回 火 索 氏 体,如 图 3 所 示,符 合 GB/T3098.1-2010 的 要求.

  对4种断口螺栓进行酸蚀低倍检验,查看螺栓 的外观是否存在缺陷.试验方法依据 GB/T226- 2015«钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法»,用1∶1(体 积比)盐酸溶液热腐蚀螺栓15min后,用热水清洗 干净,再用吹风机吹干. 4种断口螺栓的酸蚀低倍检验结果如图4~7 所示,4种螺栓的外观均未发现影响螺栓强度的明 显的制造缺陷.

  通过对断裂螺栓进行宏观检验、化学成分分析、 力学性能测试、金相检验、酸蚀低倍检验,可见螺栓的 各项性能参数均符合 GB/T3098.1-2010的要求,由 此判断断裂不是由螺栓本身的制造质量引起的.

  为了查找螺栓断裂的原因,对该批36支残留在 回转支承丝孔内的断裂螺栓进行了全面的调查分 析,如图8所示.统计发现,36支螺栓中,全疲劳断口螺栓有14支,半疲劳断口螺栓有12支,小面积疲 劳断口螺栓有5支,过载断口螺栓有5支.可以看 出36支紧固螺栓中,有31支断口存在疲劳痕迹,只 有5支是过载受力断裂,属于典型的疲劳断裂引起 的故障,由此可排除用户使用不当的因素.

  诱发螺栓产生疲劳裂纹的原因大致有两方面: ①螺栓本身存在制造缺陷(材料裂纹、加工缺陷、热 处理裂纹等),在挖机工作过程中受振动使缺陷成为 疲劳源最终导致断裂;②装配过程中螺栓拧紧不良, 在使用过程中螺栓松动引起疲劳断裂[2].装配前螺 栓螺纹表面需涂抹厌氧密封胶,螺栓拧入丝孔后预 紧,最后用扭矩扳手将螺栓拧紧至规定力矩.理化 检验结果表明,螺栓的制造质量没有问题,因此排除 第一方面的因素.接着验证第二方面因素,对残留 在丝孔内的全疲劳断口螺栓和过载断口螺栓进行拆 解,来验证螺栓的装配拧紧情况.

  全疲劳断口螺栓残留在丝孔内的断裂部分及丝 孔形貌如图9所示,未取出前可以见到螺纹孔口残 留有厌氧密封胶,断裂螺栓用手即可取出.取出的 断裂螺栓和螺纹孔只有最上部两扣螺纹有少量的厌 氧胶残留,下面螺纹旋合部分光滑,未发现残留有厌 氧胶,说明螺栓早已松动造成旋合部分摩擦光亮.

  过载断口残留在内齿圈内的断裂部分及丝孔形 貌如图10所示,未取出断丝前可以见到螺纹孔口有 厌氧胶残留,取出的断丝和螺纹孔内有明显的红色 厌氧胶残留,螺纹旋合部分粗糙,用榔头和凿子用力 才能将其取出.断丝螺纹部分外表面保持了螺栓装 配前的外貌,螺栓表面的镀锌层没有破坏,说明螺栓 没有松动.

  通过对丝孔内断裂螺栓的观察及分析可见:全 疲劳断口的螺栓在装配时厌氧密封胶涂抹不均匀或 丝 孔内螺纹清洗不彻底,导致密封胶没有进入螺栓和丝孔螺纹的旋合部分,致使部分螺栓在使用中出 现早期松动进而产生疲劳;当发展到31支螺栓均出现不同程度的疲劳裂纹时,挖机在工作回转时受到 反方向的作用力,而剩余的5支完好螺栓无法承受 此时的作用力,最终导致36支螺栓瞬时全部断裂的 故障发生.

  该批螺栓的断裂性质为疲劳断裂,断裂的原因 是螺栓装配不良.厌氧密封胶涂抹不均匀、丝孔内 螺纹清洗不干净或拧紧力矩未达到图纸要求,导致 螺栓在使用中轻微松动;随着挖机在工作过程中的 左右回转,在松动螺栓的上下结合面处对螺栓产生 径向剪切作用,对螺栓造成破坏,生成疲劳源,最终 导致断裂. 挖机在使用过程中振动很大,应严格控制上下 车架等重要连接部位的螺栓装配质量,防止此类故 障的再发生.

  [1] 刘瑞堂.机械零件的失效分析[M].北京:机械工业出 版,1994.

  [2] 张栋,钟培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:国防工 业出版社,2004.


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