邵志奇 鄧 宏 張 春 耿亞琴 張浩冉 吳生博

新疆湘潤新材料科技有限公司 新疆哈密 839000

1 快鍛液壓機(jī)概述

在鍛造加工行業(yè),快鍛液壓機(jī)已經(jīng)成為一種主流的金屬鍛造加工鍛壓設(shè)備,工作原理為利用成組的高壓電機(jī)和泵將高壓油經(jīng)閥及管道進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換傳遞,通過控制壓力、流量、方向進(jìn)行循環(huán),推動(dòng)油缸柱塞帶動(dòng)鍛壓錘頭往復(fù)運(yùn)動(dòng),進(jìn)行鍛造生產(chǎn),從而實(shí)現(xiàn)金屬材料的塑性變形。在這一過程中,液壓管道起到輸送能源介質(zhì)的作用,緊固件則負(fù)責(zé)連接和固定閥塊與管道的各個(gè)部件。

高溫金屬坯料鍛造生產(chǎn)工藝要求非常嚴(yán)格,對快鍛液壓機(jī)的性能要求非常高,對坯料的鍛壓頻次要求也很高。

在鍛造生產(chǎn)過程中,由于柱塞下壓與回程的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度較快,且頻次很高,使快鍛閥啟閉頻繁。在油缸柱塞停止或快鍛閥快速關(guān)閉打開時(shí),液壓油迅速產(chǎn)生壓力能,瞬間壓力比正常壓力大幾倍,液壓油速度突然提高或降低,引起沖擊波及壓力波動(dòng),這就是液壓沖擊現(xiàn)象。系統(tǒng)中存在空氣或氣泡,進(jìn)入高壓區(qū)時(shí)急劇破滅,產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象,增大了液壓沖擊的程度。以上兩種現(xiàn)象會(huì)引起液壓系統(tǒng)中壓力和振動(dòng)突然增大,從而對液壓管道和緊固件造成損害,導(dǎo)致緊固件斷裂問題出現(xiàn)。對大型快鍛液壓機(jī)管道緊固件斷裂原因進(jìn)行分析,制訂改進(jìn)措施,具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 現(xiàn)場勘察

在某廠液壓機(jī)鍛造生產(chǎn)過程中,5 000 t大型快鍛液壓機(jī)液壓管道緊固件突然斷裂。現(xiàn)場勘察表明,緊固件屬于疲勞斷裂。原因分析如下:① 閥塊與法蘭連接管道存在向上的變形現(xiàn)象,表明管道長期受到向上的沖擊力;② 法蘭與閥塊連接螺紋底孔和沉孔定位偏心,螺釘螺桿緊貼沉孔內(nèi)壁,使螺桿長期受剪切力;③ 緊固件的制作采用滾壓成型,制作工藝粗糙,應(yīng)力集中部位較多;④ 雙頭螺柱斷裂部位集中在螺紋根部,螺釘斷裂部位在螺紋根部和杯頭位置;⑤ 現(xiàn)場安裝人員緊固時(shí),使用加力桿加四五個(gè)人的力量進(jìn)行緊固,緊固力量過大。

3 緊固件斷裂影響機(jī)理

液壓沖擊對緊固件斷裂的影響機(jī)理主要包括三個(gè)方面。第一,沖擊波會(huì)產(chǎn)生巨大力量,超過緊固件所能承受的極限,導(dǎo)致斷裂。第二,沖擊波會(huì)引起振動(dòng)和共振現(xiàn)象,在長時(shí)間使用后逐漸疲勞,并且導(dǎo)致斷裂。第三,沖擊波會(huì)造成局部應(yīng)力集中,使緊固件易于出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)而斷裂。

4 液壓沖擊影響

液壓沖擊會(huì)對液壓管道和緊固件造成巨大壓力與振動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致緊固件斷裂。當(dāng)液壓管道緊固件斷裂時(shí),會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī),造成生產(chǎn)中斷。由此,設(shè)備停機(jī)時(shí)間增加,生產(chǎn)效率受到影響,導(dǎo)致生產(chǎn)計(jì)劃延誤,訂單無法按時(shí)交付,進(jìn)而影響企業(yè)的盈利能力和市場競爭力?？戾懸簤簷C(jī)往往進(jìn)行高溫合金鍛造,如果液壓機(jī)頂部液壓管道緊固件斷裂,液壓系統(tǒng)的高壓油會(huì)迅速泄漏,且液壓油噴成霧狀,液壓油落到高溫金屬坯料后,會(huì)立即造成大面積火災(zāi),并造成人員傷害和設(shè)備事故。由于設(shè)備停機(jī)和生產(chǎn)中斷,企業(yè)將面臨額外的維修費(fèi)用、訂單等經(jīng)濟(jì)損失。

5 內(nèi)在原因

經(jīng)研究分析,液壓沖擊是造成液壓管道緊固件斷裂的主要內(nèi)在原因。液壓沖擊會(huì)產(chǎn)生突然增大或減小的壓力波動(dòng),對液壓管道緊固件施加沖擊力。這種沖擊力會(huì)導(dǎo)致緊固件承受巨大的載荷,使緊固件處于高應(yīng)力狀態(tài)。載荷幅值過大,超過材料的疲勞極限,疲勞損傷就會(huì)加速發(fā)展,導(dǎo)致斷裂。液壓沖擊除了產(chǎn)生沖擊力,還會(huì)由于氣穴現(xiàn)象,加劇系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)象。這種振動(dòng)會(huì)通過管道傳遞到緊固件上,進(jìn)一步增大緊固件所受到的應(yīng)力和負(fù)荷。長期循環(huán)頻繁的沖擊載荷和振動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致材料疲勞,導(dǎo)致緊固件材料內(nèi)部應(yīng)力集中和微小裂紋形成,材料內(nèi)部的微小裂紋逐漸擴(kuò)展。當(dāng)振動(dòng)或沖擊負(fù)載的頻率和幅度超過緊固件所能承受的極限后,會(huì)導(dǎo)致緊固件斷裂,使緊固件逐漸失去強(qiáng)度和穩(wěn)定性。若液壓系統(tǒng)局部管道設(shè)計(jì)不當(dāng),會(huì)提高液壓沖擊和振動(dòng)的程度,進(jìn)而加劇緊固件的損傷。在高溫鍛造環(huán)境下,溫度變化會(huì)引起材料的熱脹冷縮,導(dǎo)致緊固件受到額外的應(yīng)力和變形。

6 外在原因

(1) 過度緊固。緊固件過度緊固導(dǎo)致應(yīng)力集中,過度緊固指對緊固件施加的預(yù)緊力超過設(shè)計(jì)要求的情況。當(dāng)緊固件過度緊固時(shí),會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力在局部區(qū)域集中,這種應(yīng)力集中可能會(huì)導(dǎo)致螺釘或螺柱斷裂。

(2) 松動(dòng)。緊固件松動(dòng)指由于松弛或不正確的安裝而導(dǎo)致緊固件失去預(yù)壓力。當(dāng)緊固件松動(dòng)時(shí),會(huì)引起管道系統(tǒng)的振動(dòng)和共振效應(yīng)。這種振動(dòng)和共振效應(yīng)可能會(huì)增大緊固件受到的載荷,并進(jìn)一步損壞緊固件及其連接部件。

(3) 不合理的裝配力或裝配不當(dāng),如裝配時(shí)沉孔錯(cuò)位。緊固件在裝配過程中,如果裝配力不均勻或過度施加預(yù)壓力,會(huì)引入額外的應(yīng)力集中,導(dǎo)致斷裂。如裝配時(shí)沉孔錯(cuò)位,會(huì)使螺釘承受剪切力,導(dǎo)致斷裂。

(4) 緊固件材料表面缺陷,材料強(qiáng)度不足。緊固件所承受的載荷超過材料自身的強(qiáng)度極限,會(huì)導(dǎo)致斷裂。緊固件在制造過程中,存在材料質(zhì)量不合格或摻雜雜質(zhì)的情況,導(dǎo)致強(qiáng)度和韌性降低 ,并增加斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。緊固件表面的缺陷、裂紋、劃痕可能成為疲勞損傷的起始點(diǎn),加速疲勞破壞的發(fā)展。

(5) 材料脆化。在長期高溫條件下,尤其在高溫鍛造過程中,在熱傳導(dǎo)下緊固件材料可能會(huì)產(chǎn)生脆化現(xiàn)象,即材料韌性降低,易于斷裂。

(6) 設(shè)計(jì)缺陷造成的應(yīng)力集中。由于不合理的緊固件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如螺紋根部沒有設(shè)計(jì)倒棱圓角,導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力集中,對應(yīng)區(qū)域的應(yīng)力值遠(yuǎn)高于其它區(qū)域。這樣的應(yīng)力集中會(huì)降低緊固件的強(qiáng)度,可能導(dǎo)致斷裂。

7 斷口理論分析

緊固件斷口形狀如圖1所示,對緊固件斷口進(jìn)行理論分析。

圖1 緊固件斷口形狀

7.1 斷口形狀分析

緊固件常見的斷口形狀包括平面斷口、傾斜斷口、韌窩斷口等。平面斷口多見于緊固件受到大應(yīng)力或腐蝕作用導(dǎo)致的斷裂,傾斜斷口常見于緊固件的疲勞斷裂,韌窩斷口則是由于緊固件受到?jīng)_擊或大應(yīng)力作用下韌性破壞而產(chǎn)生。通過對斷口形狀的分析,可以初步判斷緊固件斷裂的原因。例如,平面斷口可能暗示雙頭螺柱、螺釘受到過大的力或應(yīng)力集中,傾斜斷口可能表明緊固件存在疲勞壽命問題。

7.2 斷口位置分析

常見的斷口位置包括螺紋部分、頭部、螺釘體等。在分析斷口位置時(shí),需要結(jié)合緊固件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、應(yīng)力分布、載荷情況進(jìn)行綜合考慮。斷口位置的分析可以幫助確定雙頭螺柱、螺釘斷裂的原因。例如,如果斷口位置集中在螺紋部分,可能暗示雙頭螺柱、螺釘?shù)穆菁y設(shè)計(jì)存在問題;如果斷口位置在頭部,可能表明螺釘在承受載荷時(shí)頭部承受了過大的應(yīng)力。

7.3 斷面形貌分析

斷面形貌分析指對螺釘?shù)染o固件斷口的斷面形貌進(jìn)行觀察和測量,斷面形貌分析包括斷面形貌、晶粒結(jié)構(gòu)、裂紋形態(tài)等方面的觀察和測量。斷面形貌可以提供關(guān)于螺釘?shù)染o固件斷裂方式和斷裂特征的信息,晶粒結(jié)構(gòu)和裂紋形態(tài)則可以幫助對緊固件破壞機(jī)制的分析。通過斷面形貌分析,可以推斷螺釘?shù)染o固件斷裂的原因。例如,斷面上的晶粒結(jié)構(gòu)異常、明顯的裂紋形態(tài)或夾雜物等,都可能指示雙頭螺柱、螺釘材料的缺陷或質(zhì)量問題,并導(dǎo)致斷裂。斷面形貌分析還可以結(jié)合斷口形狀和位置分析,從而更準(zhǔn)確地確定緊固件的斷裂原因。例如,如果斷口形狀為韌窩斷口,斷面上出現(xiàn)明顯的疲勞裂紋,斷口位置集中在螺紋根部等應(yīng)力集中區(qū)域,那么可能意味著雙頭螺柱、螺釘存在疲勞壽命不足的問題。

8 斷裂原因確定

通過對5 000 t快鍛液壓機(jī)主側(cè)缸與集成塊連接法蘭雙頭螺柱和管道連接螺釘斷裂的現(xiàn)場勘察分析,結(jié)合緊固件斷裂的內(nèi)在及外在原因,綜合斷口形狀、位置分析和斷面形貌分析,緊固件斷裂的主要原因?yàn)槠跀嗔选Ｒ簤簺_擊和氣穴現(xiàn)象等造成的壓力沖擊波與振動(dòng)是緊固件產(chǎn)生疲勞的主要因素,在頻繁的液壓沖擊下,造成緊固件過載或應(yīng)力集中、疲勞損傷。

材料的質(zhì)量及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不達(dá)標(biāo)是造成緊固件斷裂的次要原因。

9 改進(jìn)措施

9.1 外在原因改進(jìn)措施

根據(jù)具體應(yīng)用需求,應(yīng)選擇符合要求的緊固件材料。這些材料應(yīng)具有較高的抗疲勞強(qiáng)度和耐久性。經(jīng)過計(jì)算,確定緊固件采用42CrMo材料進(jìn)行制作,并且進(jìn)行嚴(yán)格的材料檢測、制作、評估,以確保緊固件材料的質(zhì)量可控和穩(wěn)定。評估并確定緊固件的工作載荷范圍,在設(shè)計(jì)階段,分別構(gòu)建力學(xué)分析和有限元分析模型,進(jìn)行充分載荷分析,了解緊固件所承受的最大工作載荷,進(jìn)行合理的載荷計(jì)算和設(shè)計(jì),確保緊固件受力均勻,避免應(yīng)力集中,確保在使用過程中不超過載荷承受能力。合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及螺紋配合,避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生。如螺紋根部應(yīng)設(shè)計(jì)合適的倒角半徑,消除此位置應(yīng)力集中。在設(shè)計(jì)過程中,使用SolidWorks有限元分析軟件,進(jìn)行應(yīng)力、位移、變形的模擬和評估。設(shè)計(jì)合理的螺紋裝配間隙,加裝定位孔等,避免緊固件受剪切力。根據(jù)預(yù)計(jì)的工作環(huán)境和載荷特點(diǎn),對緊固件進(jìn)行疲勞壽命分析和評估。確定緊固件在工作條件下的壽命,預(yù)測疲勞性能和壽命消耗情況,進(jìn)行定期的緊固件檢查和維護(hù)。特別是在經(jīng)歷長期液壓沖擊產(chǎn)生的高載荷和循環(huán)載荷后,定期檢查緊固件是否存在疲勞裂紋。如發(fā)現(xiàn)應(yīng)及時(shí)更換緊固件,避免因疲勞損傷引起斷裂。

9.2 內(nèi)在原因改進(jìn)措施

加強(qiáng)振動(dòng)和沖擊的控制,優(yōu)化液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì),合理安排管道和閥門的位置與布局,使液體流動(dòng)更加平穩(wěn),以減小液壓沖擊的產(chǎn)生,并減少突然變化的壓力波動(dòng)。加裝減振器、隔振墊,如在液壓管道接口加裝軟連接閥門,管道支撐加裝使用緩沖材料減振墊等,用于吸收和分散振動(dòng)能量,降低緊固件受到的振動(dòng)載荷。在局部位置安裝緩沖閥,調(diào)節(jié)流體流速和壓力變化,在液壓系統(tǒng)中起到緩沖作用,減小突然增大或減小的壓力波動(dòng),從而降低緊固件受到的沖擊載荷,這有助于降低緊固件斷裂風(fēng)險(xiǎn),并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。制訂一套明確規(guī)范的緊固件裝配和擰緊作業(yè)指導(dǎo)書,明確緊固件的安裝規(guī)程,詳細(xì)描述緊固件的裝配步驟、預(yù)緊力標(biāo)準(zhǔn)要求、使用工具和設(shè)備,這有助于規(guī)范操作人員的行為,確保裝配過程的一致性和可控性。對操作人員提供必要的培訓(xùn)和指導(dǎo),明確操作人員正確的裝配技術(shù)和注意事項(xiàng)。定期檢查和維護(hù)液壓系統(tǒng)緊固件狀態(tài)、預(yù)壓力,以及系統(tǒng)運(yùn)行情況,并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整或更換。

9.3 改進(jìn)措施效果

在實(shí)際生產(chǎn)中,實(shí)施改進(jìn)措施,并且監(jiān)測和評估效果。對液壓系統(tǒng)中緊固件的斷裂情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,記錄每個(gè)緊固件的型號、安裝位置、使用時(shí)間、斷裂原因等信息。通過安裝減振裝置,優(yōu)化液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì),加裝緩沖閥,優(yōu)化緊固件設(shè)計(jì),制訂合理的安裝維護(hù)規(guī)程等,成功降低了緊固件所承受的載荷,并降低了斷裂風(fēng)險(xiǎn),提高了緊固件的受力均勻性和穩(wěn)定性。通過改進(jìn)措施,降低故障和損壞的風(fēng)險(xiǎn),提高整個(gè)液壓系統(tǒng)的性能和可靠性。同時(shí)還可以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,降低維護(hù)成本,縮短生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間。

10 結(jié)束語

筆者通過大型快鍛液壓機(jī)管道緊固件斷裂原因分析,加強(qiáng)對振動(dòng)和沖擊的控制,改善材料選用,制訂合理的安裝維護(hù)作業(yè)指導(dǎo)書,進(jìn)行工藝改進(jìn)等,成功提高了液壓系統(tǒng)中緊固件的可靠性,延長了使用壽命。通過統(tǒng)計(jì)分析液壓系統(tǒng)中緊固件斷裂情況,評估改進(jìn)措施效果,驗(yàn)證了改進(jìn)措施的可行性和有效性。未來可以進(jìn)一步深入研究液壓系統(tǒng)中緊固件相關(guān)問題,結(jié)合先進(jìn)的技術(shù)手段,如開發(fā)智能化監(jiān)測與管理系統(tǒng),提高液壓系統(tǒng)運(yùn)行效率和安全性。

通過實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中的反饋和經(jīng)驗(yàn)總結(jié),不斷改進(jìn)方案,并與相關(guān)行業(yè)分享經(jīng)驗(yàn)與成果,可以推動(dòng)液壓領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步,并為行業(yè)提供更加穩(wěn)定可靠的液壓解決方案。