履带式液压挖掘机履带螺栓的断裂失效分析-.pdf

履带式液压挖掘机履带螺栓的 断裂失效分析 亚洲富士长林 电梯 新余有限公司 江西3 3 8 0 2 9 钟翔山 长林集团长林机器公司技术部 江西新佘3 3 8 0 2 9 钟礼耀 在履带式工程车辆 中，履带板是利用履带螺栓 固定在履带链上 ，由左右驱动轮实施驱动 。我公司 在试制 国内某工程机械研究所设计 的wY1 2 ． 5 型履 带式液压挖掘机 中，有履带板8 6 块 ，每块均 由4 个 履带螺栓固定于履带链上 ，是要求可靠性高的联接 件。然而 ，在试制过程 中，曾多次发生履带螺栓装 配拧断的重大事故。 一 技术要求及装配条件 设计的履带螺栓形状如图1 所示 ，材质为4 0 C r 钢 ，热处理要求 调质2 3 0 ～2 6 9 HBw，S R2 0 mm 球面淬火5 0 ～5 5 H R C。 图1 履带螺栓 根据 螺栓特 性 ，拟 订生产 流程为 棒料 调质 一 一 IV／／／／／／／．42 配。装配时，履带螺栓 ／ ／ ／ 穿过履带板、履带链节 的光孔后加弹簧垫圈， f 用螺母固紧，如图 一 ； ‘r 2 2 w w ． m e 妻 t o 挈 1 w o 期 r kl n 謦 fl g O ． c o 峰 m 臻 哮 争露 ．r热 加 工 ‘ ‘ 。” ⋯⋯ ⋯ 中发生螺栓在螺纹处拧断。 二、履带螺栓断裂分析 1 ． 断裂螺栓形貌检查 螺栓 断裂位 置距螺栓头3 5 mm左右 ，处于螺母 支承面或垫圈位 置附近 ，断 口呈明显的塑性断裂特 征 ，断 口两侧螺栓发生明显伸长 、缩颈 ，断 口处螺 纹顶径 由 1 3 ． 3 mm缩小为 1 1 ． 3 4 mm。断 口两侧 各3 个螺距范 围内由9 ram{ d 0 长为1 3 ． 0 4 mm。螺栓杆 部 由6 0 mml “ l 长为6 5 mm。螺栓 头部 下的 凸台 已拧 挤至平 ，下陷达0 ． 2 ra m左右。 随机拆卸装配后的履带螺栓进行检查 发现 ，在 对应于断裂位置附近的螺纹均有程度不同的较 明显 伸长和缩颈 。这些螺栓虽未断裂 ，但按使用要求均 属失效 ，不能安全服役 。 2 ． 理化分析 对 断裂 螺栓进 行 了理化 分析 螺 杆部的 硬度 为2 3 2 ～2 3 7 H BW I金相组织为较均匀的 回火索 氏 体 ，表面无脱碳 ，化学分析确认为4 0 C r 钢 。分析表 明，材质及热处理均符合设计要求。 3 ． 断裂机理 断裂是 拧紧 力矩 超过 螺栓 强度 引起 。在 拧紧 过程 中 ，螺栓 在拧紧 力矩 作用 下 ，发生 塑性 伸长 和颈 缩 。随拧 紧力矩 不断加大 ，缩 颈加剧 。当截 面缩 小到不足 以抵抗 外力作用时 ，在拧 紧力矩 引 起 的拉扭合 力作用下而 被拧断 ，从 断面形貌 及螺 杆伸 长 、缩颈 的情况可 以肯定 ，此 螺栓 的韧 性 、 塑性 相当好。 4 ． 失效原因分析 1 拧紧螺栓 的受力分析在拧 紧时 ，拧 紧 力矩 使螺栓拧 紧而在螺栓与被联接件间产生预紧 力。预紧力使螺栓 受轴 向拉力F 。按国标螺纹参数 制造 的螺纹 ，研 口 F 之 间有如下数学关系 T 0 ． 2 8 d 2 F 1 式中 ，d 为螺纹 中径。 将式 1 变形可得 ，履带螺栓上的轴 向拉 力F T ／ 0 ． 2 8 d 2 。因此 ，轴 向拉伸应力 o F ／ A 4 T ／ 0 ． 2 8 丌 d L 2 式 中，d 为螺纹小径 。 拧 紧时 ，由于螺纹 副 中摩 擦 力的存在 ，产生 摩擦 力矩 ，使 螺栓 同时受到扭转 应力 切 应力 r 的作用 ，钢制普通螺纹M1 0 ～M6 8 范 围内 r ’ T 0． 5仃 。 因此 ，履带 螺栓在 拧 紧过 程 中便 受到拉 伸 应 力 和扭转应力 r 的复合作用 ，根据第 四强度理 论 ，其复合应力为 O- 。 √ 3 r ； √ 3 0 ．5 。 1 ．3 2 o - 3 将式 2 代入式 3 ，并代 入 、d 2 、d 数 值 ，得至 0 3 ． 1 S T 。即 仃 ≥ 1 0 1 8 4 8 MP a ， 也就 是说当拧紧力矩拧紧到 3 2 0 1 5 N n l 时 ， 螺栓 中的复合应力达到 了 1 0 1 8 4 8 MP a 。 2 断裂螺栓的实际强度断裂螺栓的实测硬 度为2 1 ． 5 ～2 2 ． 5 H RC，以2 2 H R C 计算 ，换算得其断 裂强度 7 7 9 MP a ，屈服 强度约6 6 0 MP a 3 履带螺栓 的设计 强度履带螺栓热处理 要求2 3 0 ～2 6 9 HB W ，据资料显示其断裂强度 在 7 6 5 ～9 0 2 MP a 之 间，屈服强度为6 5 0 ～7 7 0 MP a 。 4 失效原因分析根据上面计算 ，履带螺栓 要拧 紧到设计要求的预紧扭矩 3 2 0 1 5 N i n 以 上 ，至少要在 螺栓中造成 1 0 1 8 4 8 MP a 的应 力 ，而断 裂螺栓 只能承受7 7 9 MP a 的应力 ，甚至 在 6 6 0 MP a 的低应 力下 相当于2 0 8 N m 拧 紧力矩 便 开始屈服产生塑变。从设计要求来看 ，当达到设计 要求 的上限硬度值2 6 9 HB W时 ，履带螺栓也只能承 受9 0 2 MPa 的最大应 力。此强度也只勉强达 到拧 紧 要求的下限 ，但仍大幅度超过 了螺栓的屈服强度 ， 产生 了严重变形 ，无法保证使用的可靠性 。 综上所述 ，履带螺栓失效的根源在于零件设计 E ch 强度太低 ，装配条件要求太高 ，零件满足不 了装配 要求。装配过程 中的螺栓失效、断裂均发生在拧紧 过程的低扭矩状态 ，而不是超负荷所引起的，可以 排除装配正确性方面的因素。 5 ． 防止履带螺栓失效的方法及效果 把 履带 螺栓 的强度 提高到 装配应 力相 当的水 平以上 ，可防止失效 。经计算 ，螺栓硬度达到 3 6 HRC，其 屈服强度 即可达 IJ 9 7 0 MP a，满足装 配 拧 紧力矩 的下 限3 0 5 N m的 安全 要求 ，不 发生 塑性 变形 。当硬度达 I] 3 9 HR C时 ，屈服强度可达 1 0 7 3 MP a ，达拧紧力矩上限3 3 5 N m也不会 发生塑 性变形。 因此 ，螺栓 强度提 高 1．1 G B3 0 9 8 ． 1 1 9 8 2 中的 1 2 ． 9 级 ，机加工成形的螺栓淬火至3 9 ～4 4 HR C，加 工流程改为下料一机加工成形一淬火至3 9 ～4 4 H R C 一 球面高频淬火至5 0 ～5 5 H R C 氧化一装配。 经此改进后 的螺栓在装配中未发生任何问题 ， 装配好的挖掘机经试运转和工作试验 ，均未发现问 题 ，运行 良好 。 三、结语 笔者认为 ，此种设计下的履带螺栓在联接 中， 仍有不安全隐患存在 ，有待解决 。 1 装 配要 求 规 定 ，履 带螺 栓拧 紧 力矩 ≥ 3 2 0 1 5 N m，这很不科 学 ，也 很危险。因为 这实际上是要 求拧紧力矩越大越 好 ，直至失效 ，应 该有个上限。在工艺上采用有效的控制措施 ，如用 定力矩扳手限制拧紧力矩的增加。此联接中，根据 最低力矩数值 ，采用3 2 0 O Nm已经足够 。 2 履带螺栓工作时 ，挖掘机 通过支重轮压 履带链节再压履带板 ，螺栓上所承受的拉力反而减 少 ，行走速度很小 ，履带链节与履带板 间因挖掘机 重量压力而得到的摩擦力已足够大 ，无需更多的预 紧力。再者履带板相对较小 ，在履带从直线进入 曲 线或曲线进入直线过程中又无支重轮啮合 ，处于 自 由状态 ，基本上无翻转力矩影响。为此 ，对其联接 应完全采用 “ 塑性域预紧，弹性域工作”的工作状 态 ，才能得到更多的优越性 。 3 履带 螺栓 头部 球 面 的高 频淬 火 弊 多利 少 ，拟取消。球面淬火的 目的是为了提高螺栓头的 耐磨性 。这在原调质硬度状态可能会有些益处 ，而 参Il ⋯整 2 3 通 地铁车辆抗侧滚扭杆螺栓的 断裂原因初探 上海申通地铁运营有限公司维保中心 2 0 0 0 3 1 张九高 在地铁车辆中，螺栓联接是装配中必不可少的 部分 。车辆抗侧滚扭杆螺栓在工作中主要承受静载 荷 ，以完成联接、紧 固的功能 ，承受来 自传递动力 载荷和机械振动的动载荷，装配过程 中还可能承受 冲击载荷 ，其性能直接影响到列车的制动效率 ，与 列车的安全息息相关。 上海七号 线列车 为长客． 庞 巴迪6 节编组的A型 车 ，额定载荷时可 容纳1 8 6 0 名 乘客 ，超 员时 可达 2 4 6 0 名乘客 。在连 续使用一年后 ，巡检时发现 有 车轮抗侧滚扭杆M1 2 7 0 mm螺栓断裂 ，螺栓为8 ． 8 级 。为查 明螺栓断裂原因，以便采取有效对策 ，避 免类似事故的发生 ，笔者对断裂原因进行了分析。 1 ． 理化检测 1 宏观断 口分析 从断 口宏观检测发现 ，断 口表面较光滑 ，为剪切断 口。裂纹源于螺纹周 向表 面。断裂失效的类型为滑移分离失效。螺栓联接副 间的接触表 面发生相 对运动 ，在接 触应 力的作用 下 ，因表面发生损伤而导致螺栓断裂。 2 化学 成分 分 析采 用直 读火 花 光谱 仪 L AB S P A R K 7 5 0 A 对螺栓进行化学成分分析 结果 见附表 ，可知螺 栓的化学成分满 足GB ／ T 6 9 9 -- 1 9 9 9 对3 5 钢的技术要求 。 3 5 钢螺栓的化学成分 质量分数 ％ 元素 C S i Mn P S 0- 3 2 O． 1 7 0．5 GB ／ T 6 9 9 1 9 9 9 标准 ～ ≤0 ．0 3 5 ≤0 ． 0 3 5 0- 3 9 037 O_ 8 实测值 O - 3 3 O ． 1 9 0 ． 6 5 0 ． o 8 0 ． 0 1 1 3 金相检 验对断 口进行磨制 、抛光 、侵 蚀 ，制成金相试样在光学显微镜下观察 ，螺栓的组 织为 回火索氏体 ，心部 为回火素 氏体 贝氏体 见 图1 、 图2 。在纵 向截 面上对非 金属夹杂物 进行 检测 ，根据G B ／ T 1 0 5 6 1 2 0 0 5 ，非金属夹杂物 的级 别为D类 ，环状 氧化物夹 杂物 级别为D2 ～D2 ． 5 级 见图3 、图4 ，表层与心部非金属夹杂物无明显 差别。 图1 螺栓表层金相组织 在硬 度提高 I] 4 0 HR C以上则毫无益处 ，反而有不 利作用出现。高频淬火时淬火部位稍延长 ，加热时 间稍增加 ，或电压波动高频输出功率增加等难以避 免的现象 出现时 ，都会使螺栓头根部强度削弱 、脆 性增大 ，过渡区移近根部使该部产生附加拉应力 ， 过渡区移近根部 又使该部加热温 度增高 ，强度降低 过 回火 ，并经过第 二类 回火脆 性 区而增加 脆 2 4 2 0 ww w 2 年 ． me t o l w o 期 r ki n 謦 l l g S O ． 倦 com 辱 伪 罐 参 磊 工 热 加 工 ‘ ‘t 一“ ⋯ 一 性 ，最终降低螺栓性能甚至拧断螺栓头 。提高螺栓 整体硬度后 ，已与履带板的耐磨性大致相 当，而且 履带板齿之间的堵塞物对螺栓头还有 良好的保护作 用 ，因而无需再通过高频淬火 增加球面耐磨性。另 外 ，取消球 面淬火 ，在经济效益和生产管理上也有 较大益处。MW 2 0 1 2 0 9 1 6