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小型挖掘机销轴断裂分析

  小型挖掘机销轴断裂分析


  1 情况说明


  1. 1 失效情况


  小型挖掘装载设备,既能进行挖掘也可进行装载施工。在批量试车施工过程中,小型挖掘机前臂联动销轴发生断裂,断成两节。随之相关联的销轴定位螺栓被挤压弯曲以及连接叉、油缸都发生了不同程度的变形。


  小型挖掘机联动销轴生产工艺为: 下料—粗车—热处理调质—精车—车润滑油孔—钻润滑出油孔—钻固定螺栓销孔—感应淬火表面硬化—磨削—成品。
小型挖掘机销轴断裂分析
  1. 2 技术要求


  小型挖掘机联动销轴的技术要求: 材料为40Cr,基 体 硬 度 25 ~ 32 HRC,表 面 硬 度 50 ~ 55HRC,硬化层深不小于 3. 0 mm。


  2 检验结果


  2. 1 宏观观察


  2. 1. 1 小型挖掘机照片以及失效销轴安装部位


  该销轴是用来维持挖掘臂和铲斗相对转动,从以上各照片可以看出,箭头所指的失效销轴不是挖掘臂主体连接销轴,而是通过两个连接臂与挖掘臂主体连接形成往复运动的转轴,属于极易受外力即会形成大于挖掘臂主体振幅的部位。

  2. 1. 2 小型挖掘机销轴断裂情况


  断裂的销轴整体没有弯曲现象,从润滑出油孔开口处撕裂; 销轴断口宏观形貌如图 6所示,销轴断口周边为致密感应淬火层,整个断口没有疲劳过度纹路; 故而该失效为一次性弯曲脆性断裂,这是由于受到很大的异常剪切应力而造成的。


  2. 2 小型挖掘机销轴质量检验


  由于感应淬火后加工外圆,故而出现淬硬层深不均匀的现象,断裂源处淬硬层为 2. 03 mm,而对面淬硬层深较厚,为 2. 53 mm。


  2) 小型挖掘机销轴质量成分


  2. 3 显微观察


  2. 3. 1 感应淬火组织


  在断裂源处取样,检验金相组织 ,为马氏体淬火组织。

小型挖掘机销轴断裂分析
  2. 3. 2 基体组织


  基体组织 为大网状铁素体 + 珠光体,属于非正常的正火组织,在此种组织状态下无法达到图纸要求调质组织状态所具有的硬度指标。


  3 现场探究


  3. 1 现场调查


  每一台小型挖掘机都在此地进行相应的产品前使用功能检验,针对每个细小故障进行售前排查,以保证产品质量的稳定性。


  到小型挖掘机试验现场勘查,试验场地均为土质均匀的地面,没有矿石、硬鹅卵石等特殊地质,土质情应该不会出现铲头磕在坚硬物质导致突然应力剧增情况。


  3. 3 失效小型挖掘机现场考察


  针对失效销轴所装配的小型挖掘机进行查看,发现断裂销轴断于支撑叉的轴瓦中间,而非各个轴瓦结合部,应该是突然受到了很大的外力所致断裂。


  联动销轴相关件连接叉,中间还有一根 加 固 用 的 圆 钢 焊 接,连 接 叉 用 钢 板 厚 度15 mm,在突发外力作用下,强大的力量不但将焊接处一次性拽开,而且将连接叉一侧厚板从纵向斜压,弯转角度约 80°。如果在正常的磕土动作时是不应该产生这么大的倾斜外力的,这个异常受力应该是非常大的。


  该连接圆钢与零件板焊接只是在表面焊接,未在深层次与连接板焊接熔合,焊接质量也有待改进。油缸也因在此次冲击下带动自身关联的前后两个连接板严重变形而报废,在整批产品中,销轴的生产是一个厂家统一作的,但是其他的销轴在装配试车中均未发现此种失效。
小型挖掘机销轴断裂分析
  4 分析讨论


  1) 断裂销轴材料为 40Cr,化学成分符合要求。


  2) 表面硬度高于技术要求 5 HRC,这个硬度增加了联动销轴的表面脆性敏感度,在一定程度上也易造成联动销轴发生脆性断裂失效; 而硬化层深不均匀,断裂源处层深少于最后断裂部位,并且最深淬硬层也低于技术要求。


  3) 图纸技术要求联动销轴的基体组织应为调质组织,但是断裂零件组织为珠光体 + 网状铁素体,属于正火态组织。


  4) 从照片看,连接叉中间的连接圆钢焊接点由于焊接不牢固发生受力开裂,导致销轴相配件特别是油缸受外力增加自由度,从而使销轴在油缸等相配件受到异常大的作用力时导致大幅变形移位后进一步发生一次性瞬间断裂。


  5) 由宏观观察断口为典型的一次性脆性断裂,这种断口形成原因是由于突然受到很大的异常剪切应力而造成的,与销轴表面表面硬度过高、淬硬层深不符合要求等因素无关。


  虽然该联动销轴质量问题较多,但是鉴于其他同批次销轴在其他小型挖掘机上以同样的试车环境下施工检验均未发现失效。故而更加确定了该联动销轴为异常受力所致失效。


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