KX84系列牙輪鉆頭的牙爪疲勞裂紋

伊哲鋒 張維 楊九香 曾曉東 裴中林 劉冰 張宇

【摘 要】KX84系列牙爪大跑道最主要的失效形式時接觸疲勞。根據接觸面半寬b確定疲勞裂紋深度。KX84-250牙輪鉆頭疲勞裂紋的理論深度為深度0.27mm（實際0.28mm）。而KX84-310牙輪鉆頭的疲勞裂紋理論深度0.34mm（實際0.38mm）。

【關鍵詞】裂紋;接觸面半寬;接觸疲勞

Abstract：The main failure form of the raceway of leg of KX 84 series roller cone bit is contact fatigue. The depth of fatigue crack initiation was determined by calculating the half width b of the contact surface. Among them，the theoretical depth of fatigue crack of KX84-250 roller cone bit is 0.27 mm（actual depth 0.28 mm）. For KX84-310 roller cone bit，the theoretical depth and the actual depth are 0.34mm and 0.38 mm respectively.

Key words：Crack;Half width;Contact fatigue

一緒論

KX84系列牙輪鉆頭因較高性價比而應用于采礦行業。牙輪鉆頭主要失效形式是接觸疲勞（1，2）。周霆偉（3）發現，白層組織無法阻止疲勞裂紋擴展。李青（4）發現，軸承表面塑性流動容易引發疲勞裂紋擴展。因此，研究接觸疲勞必須分析疲勞裂紋。

二實驗方法

對牙爪大跑道進行線切割，利用4%硝酸酒精腐蝕，在Olympus BX-51金相顯微鏡觀察縱深度裂紋。利用IMCE對牙爪20CrMo和滾柱55SiMoV進行彈性模量測試。

三結果分析

“牙爪大跑道——滾柱”軸承系統的受力分析如圖1。

牙輪鉆頭含有三個牙爪，因此

P為13.79MPa軸壓，D為轉軸直徑（250mm，KX84-250;310mm，KX84-310）。

“牙爪大跑道——滾柱”承受70%的應力，接觸面積2bl。b為接觸面半寬，l為接觸線的長度（lKX84-250=28mm，lKX84-310=32mm）。

D1為牙爪大跑道的直徑（D1-KX84-250=62mm，D1-KX84-310=82mm），D2為滾柱直徑（D2-KX84-250=14mm，D2-KX84-310=16mm）。E1為牙爪材料20CrMo的彈性模量（205GPa-210GPa），E2為滾柱材料55SiMoV的彈性模量（210GPa-215 GPa）。

四裂紋分析

在0.5b深度處，疲勞裂紋容易萌生（5）（圖2）。

在KX84-250的0.28mm深度處發現了疲勞裂紋，而KX84-250的0.5b為0.27mm。同樣，對于KX84-310合金，計算深度（0.5b）為0.34mm，實際深度為0.38mm。計算結果與實際相符。裂紋產生形成剝落凹坑，剝落到3-5mm時鉆頭報廢。

五結論

KX84系列牙輪鉆的牙爪大跑道的失效形式時接觸疲勞。KX84-250牙爪大跑道的疲勞裂紋深度為0.27mm，實際觀察結果為0.28mm。而KX84-310牙輪鉆頭的疲勞裂紋深度，計算深度為0.34mm，實際深度為0.38mm。計算結果與實際結果相符。

參考文獻：

[1]F. Sadeghi etal. A Review of Rolling Contact Fatigue. Journal of Tribology，2009，131;041403

[2]吳志偉等.高合金表面硬化軸承鋼滾動接觸疲勞行為研究.表面技術. 2021：1-15.

[3]周霆偉等.原始組織對高速車輪鋼滾滑接觸疲勞磨損性能的影響. 材料熱處理學報. 2020;41：110-7.

[4]李青等.航空發動機球軸承外圈剝落機理分析.航空發動機，2020，46：10.

[5]束德林.工程材料力學性能.機械工業出版社.北京：機械工業出版社.2007：1-10

基金項目：

遼寧科技學院大學生創新創業訓練計劃（202011430081）

（作者單位：遼寧科技學院）