王光存, 趙 勇, 詹東安, 王勝男

(1.江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，徐州 221004；2.徐州徐工液壓件有限公司，徐州 221001;3.江蘇匯智高端工程機(jī)械創(chuàng)新中心有限公司，徐州 221004)

裝載機(jī)是一種廣泛用于公路、鐵路、建筑及礦山等工程領(lǐng)域的土石方施工機(jī)械設(shè)備，主要用于土壤、砂石及煤炭等散狀物料的鏟挖和鏟裝作業(yè)。轉(zhuǎn)向油缸是裝載機(jī)前、后車(chē)架重要的連接部件，通過(guò)缸底耳環(huán)、活塞桿耳環(huán)與車(chē)架鉸接連接，依靠活塞桿的伸縮控制車(chē)輛在行駛和作業(yè)過(guò)程中的轉(zhuǎn)向，其安裝位置如圖1所示。轉(zhuǎn)向油缸主要由缸筒、導(dǎo)向套、活塞、活塞桿及密封裝置等組成，活塞桿是液壓油缸最重要的零件之一，其性能好壞直接關(guān)系到油缸的使用性能和使用安全性。某型裝載機(jī)轉(zhuǎn)向油缸的工作壓力為20 MPa，使用過(guò)程中裝載機(jī)轉(zhuǎn)向油缸發(fā)生了多起活塞桿耳環(huán)根部斷裂事故，且隨著機(jī)器繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，活塞桿桿體發(fā)生了彎曲，這嚴(yán)重影響了裝載機(jī)作業(yè)時(shí)的可靠性與安全性。裝載機(jī)在作業(yè)過(guò)程中需頻繁轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致油缸受到反復(fù)交變載荷作用。裝載機(jī)的設(shè)計(jì)要求為基體安全系數(shù)3～5，無(wú)故障運(yùn)行3 000 h以上。該活塞桿在運(yùn)行500～1 000 h過(guò)程中即出現(xiàn)斷裂，為典型的早期失效事故。該油缸活塞桿材料為經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的45鋼，加工工藝流程為毛坯→粗車(chē)→精車(chē)桿頭→磨外圓→拋光外圓→電鍍→拋光外圓。為了防止活塞桿斷裂事故再次發(fā)生，作者對(duì)斷裂活塞桿進(jìn)行了失效分析。

圖1 裝載機(jī)轉(zhuǎn)向油缸安裝位置示意

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀形貌

取2個(gè)典型的斷裂活塞桿，觀察其宏觀形貌。由圖2可以看出，活塞桿1在耳環(huán)根部斷裂，耳環(huán)折斷部分丟失，桿體完好，無(wú)明顯彎曲變形，經(jīng)測(cè)量，其直線度為0.04 mm，符合設(shè)計(jì)圖紙的要求；活塞桿2也是在耳環(huán)根部斷裂，耳環(huán)發(fā)生嚴(yán)重變形，且活塞桿伸出部分發(fā)生彎曲變形。

利用線切割在2個(gè)活塞桿的耳環(huán)根部斷裂位置截取試樣，觀察斷口宏觀形貌。由圖3可以看出，2個(gè)活塞桿的斷口均為典型的疲勞斷口，圖中1為裂紋源區(qū)，表面細(xì)膩光滑，有多個(gè)疲勞臺(tái)階，說(shuō)明有多個(gè)裂紋源共同萌生和擴(kuò)展；2為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)；3為裂紋失穩(wěn)斷裂區(qū)，表面較粗糙；4為剪切唇區(qū)?？梢耘袛?，活塞桿1是在拉伸過(guò)程中發(fā)生瞬斷，活塞桿2是在壓縮過(guò)程中發(fā)生瞬斷，且斷裂過(guò)程中桿體受到額外彎曲作用力而發(fā)生彎曲。

圖3 斷裂活塞桿斷口的宏觀形貌

1.2 微觀形貌

采用掃描電鏡(SEM)觀察2個(gè)活塞桿的斷口微觀形貌。由圖4可以看出，活塞桿1斷口的裂紋源區(qū)右側(cè)部分平整光滑，左側(cè)臺(tái)階區(qū)存在表面斷層及亞表層二次裂紋，此區(qū)域?yàn)?個(gè)不在同一平面的裂紋擴(kuò)展后交錯(cuò)形成的區(qū)域，裂紋源區(qū)未見(jiàn)夾雜等缺陷?？梢耘袛?，活塞桿1的斷裂屬于表面起裂的多源低周疲勞斷裂[1-3]。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口呈典型的層片狀解理面形貌，還可觀察到河流狀花樣，說(shuō)明裂紋以解理的方式擴(kuò)展。在瞬斷區(qū)，可以看到放射狀河流花樣，伴有明顯的撕裂棱和凹陷，說(shuō)明此處為準(zhǔn)解理斷裂。由圖5可以看出:活塞桿2的斷口也呈多源啟裂特點(diǎn)，且伴有二次裂紋，裂紋源區(qū)未見(jiàn)夾雜等缺陷；裂紋擴(kuò)展區(qū)呈解理斷裂特征，瞬斷區(qū)呈準(zhǔn)解理斷裂特征。

1.3 化學(xué)成分

利用火花直讀光譜儀測(cè)試2根斷裂活塞桿的化學(xué)成分，由表1可以看出，2根活塞桿的化學(xué)成分均符合GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 2根活塞桿的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.4 力學(xué)性能

采用線切割分別從斷裂活塞桿1，2的桿體未變形段截取3個(gè)拉伸試樣，根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸和布氏硬度測(cè)試。由表2可以看出，2個(gè)斷裂活塞桿材料的力學(xué)性能相近，均符合GB/T 699—2015的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 活塞桿的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

1.5 顯微組織

采用線切割在活塞桿耳環(huán)根部斷裂位置，垂直于斷口方向?qū)⒃嚇悠书_(kāi)，經(jīng)磨拋，采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在倒置金相顯微鏡上觀察顯微組織。由圖6可以看出，2個(gè)活塞桿斷裂位置的顯微組織基本相同，為均勻分布的回火索氏體+少量鐵素體，未見(jiàn)冶金及熱處理缺陷[4-5]，顯微組織未見(jiàn)異常。

圖6 活塞桿斷裂位置的顯微組織

1.6 有限元模擬

采用有限元軟件對(duì)活塞桿進(jìn)行靜力學(xué)仿真和疲勞壽命分析。該裝載機(jī)轉(zhuǎn)向油缸為雙作用缸，額定工作壓力為20 MPa，活塞桿伸出和收回時(shí)完成裝載機(jī)前車(chē)架的轉(zhuǎn)向動(dòng)作。因裝載機(jī)左右兩側(cè)轉(zhuǎn)向油缸的活塞桿工況相同，取其一進(jìn)行應(yīng)力分布和疲勞壽命分析。經(jīng)計(jì)算，活塞桿伸出和收回時(shí)受到的壓力和拉力分別為120 073，85 881 N。通過(guò)靜力學(xué)仿真得到活塞桿在受壓和受拉2種工況下其耳環(huán)附近的應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 不同工況下活塞桿耳環(huán)及越程槽附近的應(yīng)力分布云圖

由圖7可以看出，在受壓和受拉工況下，活塞桿耳環(huán)根部越程槽位置的等效應(yīng)力分別為182.09，414.85 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別達(dá)到2.42和7.68。雖然二者的等效應(yīng)力均低于該活塞桿的屈服強(qiáng)度，但在受拉工況下，該位置的應(yīng)力水平遠(yuǎn)超過(guò)該活塞桿的疲勞極限340 MPa[6]，因此，該位置極易誘發(fā)疲勞裂紋；且2種工況下應(yīng)力集中位置與實(shí)際活塞桿的裂紋萌生位置吻合，如圖8所示。

圖8 活塞桿的應(yīng)力集中位置與實(shí)際斷裂位置

在活塞桿拉-壓工況靜力學(xué)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用應(yīng)力-循環(huán)周次(S-N)曲線[7-9]分析45鋼的疲勞壽命。由圖9可以看出，在循環(huán)加載95 000次以?xún)?nèi)時(shí)，活塞桿即發(fā)生斷裂，最小的循環(huán)次數(shù)僅為11 936次，屬于典型的低周疲勞斷裂，這與耳環(huán)根部存在應(yīng)力集中有關(guān)，與斷口微觀形貌分析結(jié)果一致。說(shuō)明應(yīng)力集中是活塞桿耳環(huán)根部發(fā)生疲勞斷裂的根本原因[10-11]。

圖9 活塞桿疲勞壽命分布云圖

2 分析與討論

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可以看出：轉(zhuǎn)向油缸活塞桿1，2的化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求；活塞桿的顯微組織均為回火索氏體+少量鐵素體，沒(méi)有冶金及熱處理缺陷；活塞桿上的斷口為疲勞斷口，疲勞裂紋源位于活塞桿耳環(huán)根部的越程槽處。越程槽的加工使得活塞桿桿體和耳環(huán)之間存在截面突變，轉(zhuǎn)向油缸運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，在拉-壓載荷作用下，越程槽部位產(chǎn)生較嚴(yán)重的應(yīng)力集中[12-14]，引發(fā)局部發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致疲勞裂紋萌生，并在往復(fù)作用力下擴(kuò)展，最終活塞桿耳環(huán)根部斷裂失效。

3 結(jié)論及建議

(1)活塞桿斷口呈典型的疲勞斷裂特征，裂紋源區(qū)存在臺(tái)階分層及位于亞表層的二次裂紋，為多源疲勞斷裂。

(2)活塞桿斷裂的根本原因是活塞桿耳環(huán)根部越程槽部位存在較大的應(yīng)力集中，且最大應(yīng)力遠(yuǎn)高于其疲勞極限，在循環(huán)載荷作用下，疲勞裂紋在該處萌生并擴(kuò)展，最終斷裂。

(3)建議活塞桿在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行應(yīng)力集中程度校核及疲勞分析，且在制造過(guò)程中減小越程槽深度或取消越程槽設(shè)計(jì)。