某装载机转向油缸活塞杆断裂原因

2021-10-08王光存詹东安王胜男

理化检验(物理分册) 2021年9期

王光存, 赵勇, 詹东安, 王胜男

(1.江苏徐工工程机械研究院有限公司，徐州 221004；2.徐州徐工液压件有限公司，徐州 221001;3.江苏汇智高端工程机械创新中心有限公司，徐州 221004)

装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑及矿山等工程领域的土石方施工机械设备，主要用于土壤、砂石及煤炭等散状物料的铲挖和铲装作业。转向油缸是装载机前、后车架重要的连接部件，通过缸底耳环、活塞杆耳环与车架铰接连接，依靠活塞杆的伸缩控制车辆在行驶和作业过程中的转向，其安装位置如图1所示。转向油缸主要由缸筒、导向套、活塞、活塞杆及密封装置等组成，活塞杆是液压油缸最重要的零件之一，其性能好坏直接关系到油缸的使用性能和使用安全性。某型装载机转向油缸的工作压力为20 MPa，使用过程中装载机转向油缸发生了多起活塞杆耳环根部断裂事故，且随着机器继续运转，活塞杆杆体发生了弯曲，这严重影响了装载机作业时的可靠性与安全性。装载机在作业过程中需频繁转向，导致油缸受到反复交变载荷作用。装载机的设计要求为基体安全系数3～5，无故障运行3 000 h以上。该活塞杆在运行500～1 000 h过程中即出现断裂，为典型的早期失效事故。该油缸活塞杆材料为经调质处理的45钢，加工工艺流程为毛坯→粗车→精车杆头→磨外圆→抛光外圆→电镀→抛光外圆。为了防止活塞杆断裂事故再次发生，作者对断裂活塞杆进行了失效分析。

图1 装载机转向油缸安装位置示意

1 理化检验

1.1 宏观形貌

取2个典型的断裂活塞杆，观察其宏观形貌。由图2可以看出，活塞杆1在耳环根部断裂，耳环折断部分丢失，杆体完好，无明显弯曲变形，经测量，其直线度为0.04 mm，符合设计图纸的要求；活塞杆2也是在耳环根部断裂，耳环发生严重变形，且活塞杆伸出部分发生弯曲变形。

利用线切割在2个活塞杆的耳环根部断裂位置截取试样，观察断口宏观形貌。由图3可以看出，2个活塞杆的断口均为典型的疲劳断口，图中1为裂纹源区，表面细腻光滑，有多个疲劳台阶，说明有多个裂纹源共同萌生和扩展；2为疲劳裂纹扩展区；3为裂纹失稳断裂区，表面较粗糙；4为剪切唇区。可以判断，活塞杆1是在拉伸过程中发生瞬断，活塞杆2是在压缩过程中发生瞬断，且断裂过程中杆体受到额外弯曲作用力而发生弯曲。

图3 断裂活塞杆断口的宏观形貌

1.2 微观形貌

采用扫描电镜(SEM)观察2个活塞杆的断口微观形貌。由图4可以看出，活塞杆1断口的裂纹源区右侧部分平整光滑，左侧台阶区存在表面断层及亚表层二次裂纹，此区域为2个不在同一平面的裂纹扩展后交错形成的区域，裂纹源区未见夹杂等缺陷。可以判断，活塞杆1的断裂属于表面起裂的多源低周疲劳断裂[1-3]。疲劳裂纹扩展区断口呈典型的层片状解理面形貌，还可观察到河流状花样，说明裂纹以解理的方式扩展。在瞬断区，可以看到放射状河流花样，伴有明显的撕裂棱和凹陷，说明此处为准解理断裂。由图5可以看出:活塞杆2的断口也呈多源启裂特点，且伴有二次裂纹，裂纹源区未见夹杂等缺陷；裂纹扩展区呈解理断裂特征，瞬断区呈准解理断裂特征。

1.3 化学成分

利用火花直读光谱仪测试2根断裂活塞杆的化学成分，由表1可以看出，2根活塞杆的化学成分均符合GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》的标准要求。

表1 2根活塞杆的化学成分(质量分数)

1.4 力学性能

采用线切割分别从断裂活塞杆1，2的杆体未变形段截取3个拉伸试样，根据GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》和GB/T 231.1—2018《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》进行拉伸和布氏硬度测试。由表2可以看出，2个断裂活塞杆材料的力学性能相近，均符合GB/T 699—2015的标准要求。

表2 活塞杆的力学性能测试结果

1.5 显微组织

采用线切割在活塞杆耳环根部断裂位置，垂直于断口方向将试样剖开，经磨抛，采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，在倒置金相显微镜上观察显微组织。由图6可以看出，2个活塞杆断裂位置的显微组织基本相同，为均匀分布的回火索氏体+少量铁素体，未见冶金及热处理缺陷[4-5]，显微组织未见异常。

图6 活塞杆断裂位置的显微组织

1.6 有限元模拟

采用有限元软件对活塞杆进行静力学仿真和疲劳寿命分析。该装载机转向油缸为双作用缸，额定工作压力为20 MPa，活塞杆伸出和收回时完成装载机前车架的转向动作。因装载机左右两侧转向油缸的活塞杆工况相同，取其一进行应力分布和疲劳寿命分析。经计算，活塞杆伸出和收回时受到的压力和拉力分别为120 073，85 881 N。通过静力学仿真得到活塞杆在受压和受拉2种工况下其耳环附近的应力分布如图7所示。

图7 不同工况下活塞杆耳环及越程槽附近的应力分布云图

由图7可以看出，在受压和受拉工况下，活塞杆耳环根部越程槽位置的等效应力分别为182.09，414.85 MPa，应力集中系数分别达到2.42和7.68。虽然二者的等效应力均低于该活塞杆的屈服强度，但在受拉工况下，该位置的应力水平远超过该活塞杆的疲劳极限340 MPa[6]，因此，该位置极易诱发疲劳裂纹；且2种工况下应力集中位置与实际活塞杆的裂纹萌生位置吻合，如图8所示。

图8 活塞杆的应力集中位置与实际断裂位置

在活塞杆拉-压工况静力学分析结果的基础上，采用应力-循环周次(S-N)曲线[7-9]分析45钢的疲劳寿命。由图9可以看出，在循环加载95 000次以内时，活塞杆即发生断裂，最小的循环次数仅为11 936次，属于典型的低周疲劳断裂，这与耳环根部存在应力集中有关，与断口微观形貌分析结果一致。说明应力集中是活塞杆耳环根部发生疲劳断裂的根本原因[10-11]。

图9 活塞杆疲劳寿命分布云图

2 分析与讨论

由理化检验结果可以看出：转向油缸活塞杆1，2的化学成分和力学性能均符合标准要求；活塞杆的显微组织均为回火索氏体+少量铁素体，没有冶金及热处理缺陷；活塞杆上的断口为疲劳断口，疲劳裂纹源位于活塞杆耳环根部的越程槽处。越程槽的加工使得活塞杆杆体和耳环之间存在截面突变，转向油缸运转过程中，在拉-压载荷作用下，越程槽部位产生较严重的应力集中[12-14]，引发局部发生塑性变形，导致疲劳裂纹萌生，并在往复作用力下扩展，最终活塞杆耳环根部断裂失效。