液压挖掘机销轴断裂分析

宋延泽，沈才华，初长祥

(1.广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007;2.重庆大学，重庆 400030)

0 引言

工程设备的安全运转是各种生产、工程等领域安全生产的前提条件，然而由于机械零件的失效，往往会造成较大的损失［1］。所谓机械失效，是指工程构件或机械零件的尺寸、形状或材料性能在某种外界因素的作用下发生变化，甚至发生局部或整体的破断，导致其无法或不能满意地执行预定的功能［2］。

销轴是机械设备广泛采用的重要连接部件，工作过程中，环境往往比较恶劣，常常承受着复杂的交变载荷作用，因此极易发生断裂事故。许多专家、学者及工程师等针对销轴容易断裂的现状开展了多方面的研究，旨在提高其抗疲劳性能。如，李家武等［3］应用有限元方法对典型销轴进行了受力分析，得到了销轴工作过程中的应力应变分布情况，找出最危险点的位置及应力值，为销轴及相关部件的改进设计提供了很好的依据。徐进永等［4］则从结构设计方面研究了工程机械铰接销轴的优化问题。赵永利等［5］从工艺方面研究了防止销轴淬火开裂的措施。这些研究成果都为提高销轴的疲劳强度做出一定的贡献。更为直接的是开展疲劳实验的研究，何建伟等［6］就进行了销轴的弯曲疲劳强度的实验研究。销轴失效后及时收集信息并开展综合的失效分析，然后提出改进措施，指出提高疲劳强度对于工程实际更有意义。冯少陵［7］、冯耀荣等［8］、蒙秋红等［9］通过断口宏观分析、金相分析、化学成分分析等方法对销轴的断裂原因进行了综合研究，并提出相应的改进措施。

最近，某型挖掘机在作业过程中销轴发生断裂，该销轴属于连接工作装置的重要部件［9－10］，工作时间仅为几十h，属于早期失效。断裂销轴用于连接铲斗油缸和连杆，销轴断裂位置如图1所示。销轴材料牌号为40Cr，经过调质(255～302 HB)、粗车、精车、表面淬火(56～60 HRC)及磨削等工艺加工而成。为查明失效原因，对失效销轴进行宏观观察、金相组织分析、化学成分分析、硬度检测及力学性能检验等综合研究。

图1 销轴断裂位置示意图Fig.1 Sketch of the fractured pin

1 宏观观察

将失效销轴断面附近切割后近距离观察。断口表面无宏观塑性变形，断裂销轴表面有扩展裂纹(图2)，断口心部成粗晶状断裂(图3)。断口呈现“人字形”花样，属于典型的脆性断裂。

2 材质分析

2.1 金相检验

从销轴断裂部位取样，经制样→打磨→抛光，再用4%(质量分数)的硝酸酒精腐蚀后，采用莱卡DMI5000型金相显微镜对销轴组织进行观察。销轴工作表面经过淬火后形成马氏体组织。当形成针状马氏体组织时销轴具有较高的强度、硬度和良好的耐磨性及耐冲击性，能够提高抗疲劳性能［11］;但是由于表面淬火工艺处理不当，加热温度过高，使得马氏体组织较粗(图4)，依据JB/T 9204—2008［12］标准可评定为 2.5 级。晶粒度越大，材料或构件的强度会越低。

图4 销轴表层组织Fig.4 Microstructure near the surface of the pin

图5为销轴心部组织，为回火索氏体+屈氏体 + 条块状铁素体，依据 GB/T 13320—2007［13］标准评级图，销轴心部组织等级为6级，表明心部组织的晶粒度较大。经过调质处理，销轴心部的大部分组织由索氏体组成，心部韧性得到保证，从而销轴的力学性能得到一定程度的提高;但是，从组织看，该工艺未能达到预期效果，粗大的索氏体在一定程度上降低了销轴的强度，在裂纹扩展过程中，这种组织反而起到了推波助澜的作用。

图5 销轴心部组织Fig.5 Inner microstructure of the pin

2.2 硬度检测

依据标准 JB/T 9204—2008［12］从销轴断面附近截取试样，采用HV1－10A型维氏硬度计沿销轴横截面径向从表面向心部逐点测量硬度，结果见表1。

硬度检验结果表明:淬硬层深度为5.84mm，表层硬度为60 HRC，符合要求;但是，销轴心部硬度为222 HB，不符合设计要求，导致销轴整体强度较低，加速了裂纹扩展。

2.3 化学成分分析

从销轴上取样进行化学成分分析，结果见表2。可见，销轴的化学成分符合 GB/T 3077—1999［14］的要求。

表1 销轴硬度检测结果Table 1 Hardness testing results of pin

表2 销轴化学成分(质量分数/%)Table 2 Chemical composition of pin(mass fraction/%)

2.4 力学性能检验

从销轴上截取拉伸和冲击试样(图6、图7)。根据标准 GB/T 3077—1999［14］在 WE－300A 型材料万能试验机和JB－30型冲击试验机上对销轴试样进行力学性能测试，结果见表3，可见强度不符合技术要求。

图6 拉伸试样示意图Fig.6 Sketch of tensile specimen

图7 冲击试样示意图Fig.7 Sketch of impact specimen

表3 销轴力学性能Table 3 Mechanical properties of pin

3 分析与讨论

图8 纤维区Fig.8 Fiber area

活塞杆和连杆对销轴挤压，在销轴表面形成应力集中区域，给裂纹的产生创造了有利条件。另外，从纤维区(图8)观察，表面淬火过程中由于温度过高，在次表层产生粗大晶粒，大大降低了销轴表层的强度，从而产生初始裂纹，成为销轴断裂的主要原因。机器作业过程中，由于受到非常复杂的载荷作用，再加上心部组织调制处理不当，导致销轴强度降低，加速了裂纹扩展，在断面形成放射区(图9)。当剩余截面无法承受机器作用力时销轴最终发生断裂(图10)，形成剪切唇。

图9 放射区Fig.9 Radiation area

图10 剪切唇Fig.10 Shear lip

4 结论

通过采用宏观观察，金相组织、硬度、化学成分及力学性能检测等手段，对失效销轴进行了综合分析，得出如下结论:

1)销轴失效性质为脆性断裂;

2)销轴脆性断裂的主要原因为活塞杆和连杆对销轴挤压，在销轴表面形成应力集中以及表面淬火不合格;

3)销轴调质处理不符合要求，力学性能不合格，销轴强度低进一步加速了裂纹扩展。

［1］姜树成，李冬艳，李晓军，等.液压工程挖掘机车轮钢圈断裂失效分析［J］.液压气动与密封，2008，5:50－53.

［2］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.

［3］李家武，彭铎.典型销轴的有限元计算研究［J］.建筑机械化，2005，6(10):50－51.

［4］徐进永，阎树岭.工程机械铰接销轴结构设计［J］.建筑机械，1997，5:18－19.

［5］赵永利，王春，邸玉志.防止销轴淬火开裂的措施［J］.机械工人:热加工，2003，6:53－55.

［6］何建伟，郭文花，李银风，等.销轴弯曲疲劳强度的试验研究［J］.工程机械，2003，34(4):20－23.

［7］冯少陵.挖掘装载机铲斗长销轴断裂分析［J］.工程机械，1990，21(11):52－54.

［8］冯耀荣，祁全全.曲柄销轴断裂失效分析［J］.理化检验:物理分册，1991，27(4):52－53.

［9］蒙秋红，邓颖章，张丽.装载机销轴断裂分析［J］.失效分析与预防，2009，4(3):156－160.

［10］姜峰，李方义，李剑峰，等.装载机销轴磨损历程分析及其改进［J］.润滑与密封，2007，(7):137－140.

［11］谢志东.结构疲劳强度分析及工程应用［D］.浙江:浙江大学，2008.

［12］全国热处理委员会.JB/T 9204—2008钢件感应淬火金相检验［S］.北京:机械工业出版社，2008.

［13］全国锻压标准化技术委员会.GB/T 13320—2007钢质模锻件金相组织评级图及评定方法［S］.北京:中国标准出版社，2007.

［14］全国钢标准化技术委员会.GB/T 3077—1999合金钢结构［S］.北京:中国标准出版社，1999.