装载机挡轴的过早失效分析

蒋伯平，刘俊英，胡晓丽，张慧星

（天津工程机械研究院，天津 300409）

0 引 言

装载机三四挡挡轴上装配2组（每组2个）轴承，此挡轴在变速箱中与一挡、二挡及输出轴连接，设计寿命为8 000h。某ZL60装载机原结构采用滚珠轴承，为了减小变速箱的体积而改为滚针轴承。在进行工业性铲装试验中，工作约400h后发现，三四挡挡轴与滚针轴承配合的接触表面损坏严重，产生粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损，出现了明显的划槽、犁沟等缺陷［1］。SEM图像显示，挡轴的渗碳层和基体中都产生了裂纹，属于过早失效，影响了装载机的正常工作。本文分析并确定了该三四挡挡轴的失效的原因，提出改进方法。

1 装载机三四挡挡轴的基本情况

1.1 主要尺寸

三四挡挡轴的主要几何尺寸和滚针轴承位置如图1所示。

1.2 技术要求

（1）Ф50与Ф52表面渗碳淬火，渗碳层深0.8～1.2mm。

（2）Ф50与Ф52处的表面硬度为58～64（HRC），其余为33～48（HRC）。

1.3 工作条件

挡轴的转速V＝1.49～9.18m·s-1，使用8号润滑油强制润滑，油温为80℃～100℃，最高温度为140℃。

2 三四挡挡轴的检测

三四挡挡轴及其损坏情况如图2、3所示。为了分析挡轴的失效原因，对损坏部位分别进行硬度、化学成分与金相组织检测。检测分析试块如图4所示。

2.1 硬度检测

图1 挡轴的主要几何尺寸和滚针轴承位置

图2 表面损坏的三四挡挡轴

图3 三四挡挡轴的损坏部位

图4 检测分析试块

对挡轴的表面与断面进行硬度检测。结果表明：渗碳轴的硬度满足“表面达到58～64（HRC），其余为33～48（HRC）”的技术要求。

2.2 基体化学成分检测

表1 为挡轴使用的材料20CrMnTi的标准化学成分（GB／T3077—1999），表2为挡轴基体的化验结果。

2.3 金相组织检测

挡轴的金相组织如图5所示。从表面到内部依次为：马氏体＋少量残余奥氏体（图5（a））；马氏体＋贝氏体（图5（b））；马氏体＋贝氏体＋少量铁素体（图5（c））。

上述检测结果表明，挡轴渗碳后的硬度、化学成分和金相组织均满足技术要求。

图5 挡轴的金相组织

3 挡轴的失效分析

由上述检测结果可知，挡轴的硬度、化学成分和金相组织均满足技术要求，因此，应通过磨损机理的两个阶段分析其失效原因。

3.1 粘着磨损阶段

3.1.1 宏观形貌

经检查发现，挡轴使用约100h后，滚针轴承的接触面产生了麻坑，数量为3～5个·cm-2，但分布不均匀，这是较为典型的粘着磨损损坏形式。

表1 20CrMnTi的化学成分%

表2 挡轴的化验结果 %

3.1.2 失效分析

近代摩擦理论认为，由于金属表面起伏的性质（受加工技术的限制），用一定倍数的放大镜就可观察到接触仅发生在少数几个孤立的点上。由于塑性和弹性变形，在挡轴的接触面上形成了金属接点［2］，这些接点分布在挡轴与滚针“接触面”的有关部位，如图6中的 M1、M2、M3等。

图7 磨损表面表面的宏观形貌

图6 挡轴与滚针的接触

图8 磨损表面的划槽、犁沟及凹坑等缺陷

当挡轴和滚针轴承承载后，作用在微凸体上的接触压力很大，因此产生了很高的接触压应力，再加上高速转动的线速度（最大可达到9.18m·s-1），会使微凸体上的接触点发生冷焊现象，这些冷焊点会在切向力的作用下被“剪断”而形成粘着磨损，由此产生不均匀麻点。

另外，在本运行阶段（0～100h左右）内，挡轴表面疲劳的损坏作用在挡轴一开始运行就产生了，只不过在此阶段作用的时间较短，尚未呈现出损坏的宏观形貌，但内在的微观损坏已发生［3］。

3.2 渗碳层和次表层的磨损破坏和磨粒的形成

3.2.1 宏观形貌

挡轴运行约400h后，损坏表面的宏观形貌如图7所示。损坏表面极为粗糙，凹凸不平，同时有很明显的划槽、犁沟等缺陷。从磨损机理上分析，它几乎包括了粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损等几种主要的磨损破坏类型，如图8所示。

3.2.2 失效分析

根据挡轴的工况条件、受力状态、材质和技术条件，结合挡轴损坏的宏观形貌进行综合分析，磨损处的磨粒来源只能是渗碳层磨损破坏后所形成的脆硬、尖锐的金属磨粒。经过对金属磨粒进行化学成分的定性分析，发现其成份与20CrMnTi渗碳层的成分相符［4］。用VHX-500F超景深三维显微系统拍摄渗碳层破坏后形成的磨粒，如图9所示。渗碳层磨损破坏表面的SEM图像如图10所示，图中可以看到材料的塑性流变和堆积。

图9 渗碳层磨损破坏后形成的磨粒

3.3 基体和渗碳层的微观形貌

基体和渗碳层的微观形貌如图12所示。

图10 渗碳层磨损破坏表面的SEM图像

图11 基体和渗碳层中的裂纹

从图11中可以明显地看到，挡轴的渗碳层和基体中都产生了裂纹。由此说明，失效的根本原因是挡轴的抗压强度、剪切强度和疲劳强度不能满足装载机高负荷的要求，所以造成了过早的损坏。

4 结 语

通过对装载机三四挡挡轴过早失效的原因进行分析研究，建议采取增加轴的直径、改进材料和热加工工艺等提高其强度和耐磨性的改进措施。