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裝載機雙變濾油器螺栓斷裂原因分析
劉志鵬
龍工(上海)機械制造有限公司裝載機技術中心
1.故障現象
1臺使用3了個月的ZL50C型裝載機,在毫無前兆的情況下,其雙變濾油器上的內六角螺栓突然斷裂。該裝載機雙變濾油器主要由濾芯和殼體組成,其中殼體包括上蓋和筒體,均為鑄鋁材質。上蓋和筒體通過4個8.8級內六角螺栓組裝在一起,如圖1所示。
維修人員反映,該型裝載機在惡劣工況作業時,出現過多起雙變濾油器內六角螺栓斷裂現象,造成上蓋與筒體分離、變矩器油外溢,導致裝載機無法繼續使用。
2.原因分析
拆解雙變濾油器后發現其筒體完好,上蓋出現損壞。斷口表面基本平直,與螺栓軸線垂直,斷口無明顯塑性變形,斷裂螺栓的2個斷口可以上、下吻合,說明螺栓硬度較高。螺栓的斷口形狀如圖2所示。
(1)分析螺栓斷口
螺栓正確安裝后,其螺紋連接處的第1扣大約承受25%的總載荷,第2扣承受19%的總載荷,因此60%~65%螺栓斷裂均位于螺紋連接處第1扣的根部。該雙變濾油器螺栓的斷裂就是發生在第1扣螺紋根部,由此可知螺栓第1扣螺紋位置確實承受了較大的載荷,載荷過大是引起螺栓斷裂的主要原因。
(2)分析螺栓斷裂面
我們從螺栓的斷裂面發現,該斷裂面形成的區域非常明顯,可清楚看到疲勞裂紋源、疲勞擴展區和脆性斷裂區。據此分析認為,螺栓長期承受預緊力和雙變濾油器內油液脈動沖擊的交變載荷,首先在疲勞裂紋源處產生裂紋,并向疲勞斷裂區延伸。當剩余部分不足以承擔預緊力及交變載荷時,最終導致螺栓發生斷裂。螺栓的斷裂面如圖3所示。
(3)確定斷裂原因
以上分析,雖然可以確定螺栓是由于疲勞斷裂引起,但是不能確切得出引起疲勞斷裂的原因。我們檢查了多個螺栓斷裂的雙變濾油器,對螺栓斷裂面研究后發現,不論哪個位置的螺栓斷裂,螺栓斷裂的疲勞裂紋源總是位于筒體近心端,疲勞擴展區、脆性斷裂區總是位于筒體遠心端。由此可推斷,所有螺栓均承受圖4中箭頭方向的彎矩,且該彎矩為交變載荷,容易造成螺栓斷裂。
螺栓承受彎矩的原因是雙變濾油器上蓋剛度不足,在裝載機工作過程中,因持續的油液脈動沖擊,引起上蓋周期性變形,導致上蓋中心處產生持續的凸起、恢復、凸起交替變形,使螺栓承受持續、交變的彎曲載荷,進而在應力集中區域產生初始的疲勞裂紋源,并逐漸擴展增大,最終發生脆性斷裂。
3.改進方法
由以上分析可知,單純增加螺栓直徑、提高其強度等級,并不能從根本上杜絕螺栓疲勞斷裂的產生。為此我們將雙變濾油器上蓋的厚度增加了2mm,以提高上蓋的剛度、減小其在工作時的變形量、避免螺栓承受彎曲載荷。上述改進解決了雙變濾油器內六角螺栓疲勞斷裂問題。
來源:《工程機械與維修》2017年03期
2019-12-18

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