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摘要： 某設(shè)備的傳動盤有一處螺栓發(fā)生斷裂,通過宏觀觀察、金相檢驗、掃描電鏡分析、化學(xué)成分 分析、硬度測試、裝配工藝和結(jié)構(gòu)分析等方法,對螺栓斷裂原因進行分析。 分析結(jié)果表明,傳動盤螺栓失 效形式為疲勞斷裂,斷裂位置為螺紋嚙合第一扣螺牙牙底,斷裂主要原因是螺栓承受過大的交變應(yīng)力。 對此,提出改進措施,減小螺栓所受的交變應(yīng)力。

1 故障情況

螺栓的常見失效形式中,疲勞斷裂占比極大。 根 據(jù)緊固件檢測機構(gòu)統(tǒng)計,在軌道交通車輛的失效案例 中,疲勞失效的占比高達75.0%。 誘發(fā)螺栓產(chǎn)生疲勞 失效的原因,除螺紋自身缺陷外,還有不合適的連接結(jié) 構(gòu)和偏心的受載模式,同樣會導(dǎo)致螺栓承受超過疲勞 極限的載荷。 筆者針對某設(shè)備傳動盤螺栓斷裂故障, 結(jié)合失效分析和連接結(jié)構(gòu)分析,找到故障原因,并提出解決方法。     

某設(shè)備在檢修時發(fā)現(xiàn)傳動盤壓板安裝螺栓發(fā)生斷 裂。 經(jīng)拆解,發(fā)現(xiàn)第2、第5位驅(qū)動裝置各有一個防松 壓板螺栓斷裂,斷裂位置為螺紋嚙合第一扣螺牙牙底。 發(fā)生斷裂的螺栓均為三顆安裝螺栓靠外側(cè)的那一顆螺 栓,如圖l所示。 壓板安裝位置結(jié)構(gòu)如圖2所示。 四 顆銷釘先擰入傳動盤,抵住下方的傳動軸承內(nèi)圈壓蓋。 銷釘安裝到位后,頭部凸起于傳動盤上表面。 隨后使 用三顆螺栓安裝壓板,壓板的作用是抵住銷釘防止松 脫。 壓板安裝完成后,與傳動盤之間會存在3～4 mm 的間隙。

2 故障檢測 

2.1 斷口分析

將兩個斷裂螺栓編號為l號、2號。清洗斷口后 置于體視顯微鏡下觀察,兩個螺栓的斷面形貌如圖3 所示。兩個螺栓的斷面均較為平整,呈明顯的多源疲 勞斷裂特征。其中,主裂紋源均起始于圖中白色虛線 所圈位置的螺紋底部。兩個螺栓的主裂紋擴展區(qū)域約 占整個螺栓斷面的70%,說明螺栓在開始階段所受的 名義載荷并不大。隨著主裂紋的擴展,螺栓有效截面 積不斷減小,所受的應(yīng)力不斷增大,于是在主裂紋的另 一側(cè)形成新的多源疲勞裂紋。

將l號螺栓斷口置于掃描電鏡中觀察,疲勞裂紋 起始區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯的冶金缺陷,疲勞擴展區(qū)可見疲勞 輝紋,最后斷裂區(qū)為韌窩。疲勞源區(qū)形貌如圖4所示, 疲勞裂紋擴展區(qū)形貌如圖5所示,最后斷裂區(qū)形貌如 圖6所示。 

2.2 金相檢驗

對兩個斷裂螺栓進行金相檢驗,經(jīng)打磨、拋光、浸 蝕后,置于金相顯微鏡下觀察,兩個螺栓的螺紋底部均 未發(fā)現(xiàn)有裂紋和氧化脫碳現(xiàn)象,螺栓的組織均為保留原馬氏體位相的回火索氏體組織,未發(fā)現(xiàn)有異常組織。 兩個螺栓的螺紋底部如圖7所示,兩個螺栓顯微組織 如圖8所示。

2.3 硬度檢測

對兩個斷裂螺栓進行維氏硬度檢測,結(jié)果見表l。 檢測結(jié)果顯示螺栓力學(xué)性能符合GB/T3098.l—20l0 《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》對8.8級螺栓的 要求。 

2.4 化學(xué)成分檢測    

對兩個斷裂螺栓進行化學(xué)成分,結(jié)果見表2。 結(jié)果 顯示螺栓的化學(xué)成分與供應(yīng)商提供的ML35Cr材料的 技術(shù)要求相符。

2.5 安裝工藝分析      

使用超聲波螺栓軸力測試儀測試壓板螺栓安裝軸 力,螺栓擰緊順序為圖2中螺栓、左螺栓、右螺栓,即先 中間后兩邊,依次安裝壓板螺栓。 同時,為了分析銷釘 對螺栓安裝軸力的影響,在第二組試驗中取消了銷釘, 使壓板與傳動盤上表面貼緊。 在試驗過程中,每當(dāng)有 一顆螺栓完成安裝后,均再次測試已安裝螺栓的軸力 變化,分析螺栓組之間的相互影響。 螺栓安裝軸力測 試結(jié)果見表3。

第一組試驗由于銷釘將壓板懸空,導(dǎo)致擰緊過程 中的杠桿作用明顯,后續(xù)安裝的兩側(cè)螺栓會使中間螺 栓的軸力逐步增大,由初始的28kN增大至39kN。 第 二組試驗將下方的銷釘取消后,后安裝的兩側(cè)螺栓基 本不會對中間螺栓的軸力產(chǎn)生影響。 

3 原因分析

3.1 載荷來源分析      

通過上述分析可知,螺栓均屬疲勞斷裂,但螺栓自 身無明顯冶金缺陷,力學(xué)性能和化學(xué)成分也符合要求, 因此,螺栓疲勞斷裂可能是工作中承受了超過疲勞極 限的交變載荷。 設(shè)備運行過程中,壓板安裝螺栓承受 的外部載荷可以分為兩部分。 一是壓板自身的振動加 速度載荷,這部分載荷由于壓板質(zhì)量很小,可以忽略不 計。 二是傳動盤下方軸承內(nèi)圈壓蓋的振動沖擊載荷通過銷釘傳遞到壓板上,進而傳遞給壓板安裝螺栓,使螺 栓承受超出疲勞極限的交變應(yīng)力。     為了驗證上述猜想,進行銷釘負載模擬試驗,將端 齒傳動盤翻轉(zhuǎn),壓力機依次對l號、2號銷釘?shù)撞渴┘?l5 kN的壓力,如圖9 所示。 同時,通過超聲波螺栓軸 力測試儀測試壓板螺栓的軸力變化,測試結(jié)果見表4。 銷釘下方受到l5 kN外載荷后,臨近的螺栓發(fā)生軸力 增大,該部分增大量小于l5 kN,說明銷釘下方受到的 載荷一部分會被銷釘?shù)穆菁y所承受,但仍有一部分會 傳遞到壓板上,進而導(dǎo)致壓板螺栓承受交變載荷的作 用。 施力位置為l號銷釘處時,最左側(cè)螺栓的軸力增 大量最大,達到5.l kN,這與實際問題中最外側(cè)螺栓 斷裂居多的情況相符。

3.2 壓板結(jié)構(gòu)分析      

通過分析壓板位置連接結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)與典型螺栓連 接結(jié)構(gòu)存在很大差異。 典型螺栓連接結(jié)構(gòu)被連接件之 間為緊密貼合,接合面之間存在壓緊力,在外載作用下 的受力關(guān)系如圖l0所示。 FM 為螺栓預(yù)緊力,當(dāng)被連 接件受外載荷FA 作用時,一部分外載荷FPA 被被連接 件之間的壓力釋放所吸收,分配給螺栓的軸向拉伸載 荷FSA 為ΦFA ,由于載荷因數(shù)Φ通常遠小于l,因此外載荷分配在螺栓上的比例很低,從而保證連接結(jié)構(gòu)的 抗疲勞性能。

對于壓板位置的懸空結(jié)構(gòu),當(dāng)周期性的沖擊載荷 通過銷釘向上傳遞時,由于壓板和傳動盤之間的壓力 為0,被連接件無法起到吸收外載荷的作用,由銷釘傳 遞來的外載荷將全部作用于螺栓,此時載荷因數(shù)Φ可 視為等于l,由此壓板安裝螺栓所受軸向拉伸載荷FSA 將大大增大,即交變應(yīng)力幅值更大,更容易誘發(fā)螺栓疲 勞斷裂。 另外,由于銷釘傳遞載荷的作用位置偏離螺 栓軸心,還會使螺栓受附加杠桿力和附加彎矩的作用, 導(dǎo)致螺栓一側(cè)表面位置產(chǎn)生較大的彎曲正應(yīng)力,極有 可能超過疲勞極限,導(dǎo)致疲勞斷裂。 

4 改進措施      

根據(jù)上述分析,對壓板結(jié)構(gòu)進行改進。 在原有結(jié) 構(gòu)的基礎(chǔ)上將壓板下表面的沉孔加深,使螺栓安裝完 成后壓板與傳動盤直接接觸,并且相互間存在壓緊力。 同時,為了保證壓板對銷釘?shù)膲壕o作用,在銷釘頂部和 壓板之間加入一個柔度較大的銅質(zhì)環(huán)形墊圈。 當(dāng)壓板 壓緊時,銅環(huán)被擠壓產(chǎn)生變形,抵住下部的銷釘,而壓 板也能保持與傳動盤貼緊。 改進后壓板結(jié)構(gòu)如圖ll 所示。 通過結(jié)構(gòu)改進,使壓板與傳動盤之間保持一定 的壓緊力。 當(dāng)螺栓承受外載荷時,能吸收掉一部分外 載荷,減小螺栓在有外載作用時受到的交變應(yīng)力。

5 試驗驗證    

為驗證結(jié)構(gòu)改進后對螺栓所受交變載荷的減小作 用,再次進行銷釘負載模擬試驗,使用壓力機分別對l號、2 號銷釘?shù)撞渴┘觢5 kN推力,同時使用超聲波軸 力測試儀對壓板螺栓的軸力變化進行檢測,計算加載 后的螺栓軸力增大量,并與原結(jié)構(gòu)測試結(jié)果進行對比, 見表5。

通過測試可知,結(jié)構(gòu)改進后,在相同的外載荷作用 下,壓板螺栓的軸力增大量最大為3.3 kN,相比原結(jié) 構(gòu)的5.l kN減小35%,且當(dāng)中間銷釘受載時,螺栓軸 力基本不變,結(jié)構(gòu)改進后螺栓承受更小的交變載荷,由 此優(yōu)化受力情況。 6 結(jié)束語      筆者對傳動盤螺栓斷裂進行原因分析及改進。 螺 栓均屬疲勞斷裂,且無明顯冶金缺陷,螺栓的力學(xué)性能 和化學(xué)成分也符合標(biāo)準(zhǔn)要求。      

螺栓疲勞斷裂的主要原因為螺栓在工作中受到銷 釘傳遞來的載荷,同時壓板的懸空結(jié)構(gòu)導(dǎo)致螺栓在受 到載荷作用時被連接件無法起到分擔(dān)外載荷的作用, 使產(chǎn)生的交變應(yīng)力全部作用于螺栓。 另外,偏心的載 荷作用方式也會導(dǎo)致螺栓受到附加杠桿力和附加彎矩 的作用,在螺栓一側(cè)產(chǎn)生較大的彎曲正應(yīng)力,加劇疲勞 失效的風(fēng)險。     

優(yōu)化壓板安裝結(jié)構(gòu)后,在保證壓板壓緊銷釘這一 功能的同時,使壓板與傳動盤表面壓緊。 經(jīng)過超聲波 軸力測試驗證,螺栓在外載作用時受到的交變應(yīng)力明 顯減小,結(jié)構(gòu)改進后未再發(fā)生螺栓斷裂故障。

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