油缸斷裂故障分析及改進措施

鄭寶義 高 生

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027）

0 引言

巷道修復(fù)機是一種集破巖、除渣、側(cè)卸、挖掘水溝及側(cè)掏皮帶機下方的浮煤等多項功能于一身，在狹小巷道內(nèi)完成各項復(fù)雜作業(yè)的設(shè)備。油缸是設(shè)備重要的執(zhí)行元件，巷道修復(fù)機所用油缸有動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸、中間臂油缸和推土鏟油缸等，其復(fù)合動作均通過調(diào)節(jié)油缸來實現(xiàn)[1]。其中，斗桿油缸動作最頻繁，斗桿油缸的推拉力直接決定設(shè)備挖掘力，因此斗桿油缸也是故障發(fā)生最高的部件[2]。油缸出現(xiàn)的主要故障包括油缸漏油和活塞桿斷裂兩大類，其中前期故障以油缸漏油為主，漏油又分為桿漏和內(nèi)漏兩種；隨著油缸使用時間不斷增加，發(fā)生的故障多以活塞桿斷裂為主，斷裂形式分為油缸的桿頭焊接部位及螺紋部位斷裂和油缸的活塞桿中部斷裂等[3]。通過對設(shè)備進行故障總結(jié)分析以及制定相應(yīng)改進措施，可以為后人進行設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒。

1 故障介紹

巷道修復(fù)機工作在泥巖和半煤巖巷道內(nèi)，巖石平均硬度為F5-F6，巷道斷面尺寸為3m×4m矩形巷道，每天三班連續(xù)工作，每班工作3小時，每班進尺4.8m，修復(fù)及除渣效率19.2m3/h。

設(shè)備在運行過程中，斗桿油缸共斷裂兩次，第一次在坡度為12°的下坡時，設(shè)備運行109小時，油缸在缸桿伸出最長540mm處斷裂；第二次在水平巷道內(nèi)工作，設(shè)備在更換油缸后工作45小時，油缸在缸桿伸出430mm處斷裂，兩次斷口均顯示為脆斷裂紋油缸斷裂如圖 1 所示。

圖1 油缸斷裂圖

2 原因分析

在油缸缸桿斷裂處未觀察到明顯的塑性變形，斷口與缸桿成垂直角度，斷口處表面平齊，斷口邊緣無明顯剪切痕跡。根據(jù)油缸缸桿斷裂形式初步判斷，材料缺陷可能性較大。

下面分別從設(shè)計、材料以及工況三個方面詳細分析斷裂原因。

2.1 設(shè)計分析

油缸的類型為雙作用單活塞桿液壓缸，結(jié)構(gòu)形式采用兩鉸點銷軸聯(lián)結(jié)。

設(shè)備系統(tǒng)壓力P=21MPa，工作最大負載F≤100kN，缸筒

速比不宜過大，否則無桿腔回油流速過高將形成很大背壓。但也不宜過小，不然活塞桿直徑相對缸徑太細，穩(wěn)定性差，此油缸速比為1.89。

活塞桿穩(wěn)定性計算：F≤FK/nK

式中：F—活塞桿的作用力，F(xiàn)=55.7kN；FK—活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力，N；nK—安全系數(shù)，通常取nK≈3.5～6，取nK=5；E1—實際彈性模數(shù)，E1=1.8×105MPa；I—活塞桿橫截面慣性矩，I=0.049d4=0.45×10-6；K—液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)，K=2；L—液壓缸行程，L=430 mm。

所以，F(xiàn)≤FK/nK，達到穩(wěn)定性要求，油缸滿足強度要求。

2.2 材料分析

對故障油缸缸桿取樣分析檢驗，分析內(nèi)容及結(jié)果如下。

2.2.1 宏觀分析

由圖2可知，油缸杠桿沒有明顯塑性變形，屬于脆性斷裂。在斷口處有部分位置淬硬層發(fā)生脫落。從斷口分析，斷面存在近20mm的高度差異，斷口整體呈現(xiàn)灰色，可明顯觀察到裂紋源、裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)和剪切唇的存在，并肉眼可見大量二次裂紋。

圖 2 油缸杠桿的斷口宏觀形貌

2.2.2 硬度測量

利用線切割在油缸杠桿斷裂處從表面到心部取樣，進行磨拋后，利用硬度計對試樣進行硬度測試。具體結(jié)果如表1所示。

表1 油缸缸桿的硬度

從表1中可已看出，油缸杠桿表面硬度最大值約為734HV（62HRC），該值隨著深度的增加逐漸降低。當離表面距離超過2.3mm時，其硬度基本與心部硬度相同。該油缸杠桿的淬硬層深度在2.2mm～2.5mm，并且淬硬層硬度相較于標準（53HRC～58HRC）略有偏高，這可能導(dǎo)致淬硬層韌性不足。

2.2.3 金相檢測分析

利用線切割靠近斷口處沿油缸杠桿徑向取樣進行磨拋、腐蝕后，采用倒置金相顯微鏡進行顯微組織觀察。

由圖3可見，油缸杠桿表面存在白亮層，其為鍍層。淬硬層組織為板條狀馬氏體，隨著距離逐漸向心部延伸，逐漸在晶界處有少量的塊狀鐵素體出現(xiàn)，此時為塊狀鐵素體+板條馬氏體組織。在油缸杠桿心部，可明顯看到有大量的鐵素體存在，鐵素體呈網(wǎng)狀或半網(wǎng)狀分布，其他為細片狀珠光體。

圖4（a）為油缸杠桿光桿外表面光鏡圖，在圖上可清晰看出在光桿表面沿垂直于軸向方向存在較多裂紋。圖4（b）為油缸杠桿截面光鏡圖，可清晰看出在靠近光桿表面位置，分別分布有垂直和平行于外表面的裂紋，其中垂直于外表面的裂紋長度超過40μm，其在反復(fù)受力過程中，易發(fā)生擴展，作為裂紋源，發(fā)生斷裂。平行于外表面的裂紋，其在反復(fù)受力過程中，發(fā)生擴展，易造成淬硬層脫落。

圖 3 油缸杠桿的金相組織

圖 4 油缸杠桿表面光鏡圖

2.2.4 斷口分析

分別在斷口表面裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)等位置取樣，經(jīng)酒精超聲波清洗后利用掃描電鏡（SEM）對試樣進行微觀形貌觀察。

由圖5可知，在油缸杠桿裂紋源處看到有由油缸杠桿表面向內(nèi)部延伸的裂紋。在剪切唇處，可清楚看到靠近油缸杠桿表面存在較多孔洞。這些缺陷在油缸杠桿工作過程中，受到反復(fù)的拉-壓作用，會逐漸聚集形成裂紋，最終導(dǎo)致斷裂。

圖5 油缸杠桿裂紋源及剪切唇處 SEM 形貌

由圖6可知，油缸杠桿紋擴展區(qū)斷口主要由舌狀花樣、河流花樣、解理臺階等混合組成， 并且部分位置存在二次裂紋，沿著河流花樣的解理階有部分裂紋存在，說明材料的脆性較高。因此，該區(qū)域?qū)俅嘈詳嗔选?/p>

圖6 油缸杠桿裂紋擴展區(qū) SEM 形貌

油缸杠桿瞬斷區(qū)主要由舌狀花樣、河流花樣、解理臺階及撕裂棱等混合組成，屬于典型的解理斷口顯微形貌，因此該區(qū)域?qū)俅嘈詳嗔选?/p>

經(jīng)過材料分析表明：油缸杠桿外表面存在大量垂直于軸線方向的微裂紋，裂紋向油缸杠桿內(nèi)部延伸深度可達40μm以上，并且在油缸杠桿表層存在較多孔洞。油缸杠桿在工作過程中做往復(fù)運動，主要承受軸向拉-壓作用力和一定的彎曲應(yīng)力，其表面的微裂紋和孔洞等缺陷，在力的作用下，發(fā)生延伸和擴展，最終導(dǎo)致油缸杠桿斷裂。此外，油缸杠桿表面組織為馬氏體，其硬度為57HRC～62HRC，略高于要求的53HRC～58HRC，較高的表面硬度導(dǎo)致其表層韌性較差。

2.3 工況分析

事故發(fā)生在兩種工況，一種工況為12°斜坡；另一種工況為水平巷道。通過受力分析，油缸屬于二力桿，兩端受力，本身只受軸向力不受彎矩，無徑向力；而此次油缸斷裂在伸出最大處明顯因受較大彎矩導(dǎo)致突然脆斷。

根據(jù)現(xiàn)場情況分析，油缸斷裂跟12°斜坡與水平巷道等工況無關(guān)，主要由于斗桿臂架集料堆滿導(dǎo)致油缸活動受限，活塞桿伸出最大導(dǎo)致缸桿與缸筒產(chǎn)生徑向力，由此產(chǎn)生較大彎矩，彎矩超出材料剛度導(dǎo)致活塞桿斷裂。

通過設(shè)計、材料和工況三個方面分析，找出該油缸杠桿的失效模式屬于脆性斷裂。油缸杠桿表面有微裂紋和孔洞等缺陷，在反復(fù)的拉-壓作用力下，缺陷發(fā)生擴展，導(dǎo)致油缸杠桿承受交變應(yīng)力的能力下降而發(fā)生脆性斷裂；同時局部結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，限制油缸運動空間，使油缸缸桿受到彎矩作用，綜合造成油缸缸桿斷裂故障。

3 整改方案

整改方案分別從設(shè)計和材料檢驗兩個方面進行，完全解決油缸缸桿斷裂故障。

首先對油缸材料進行嚴格檢驗，保證油缸缸桿強度和剛度達到設(shè)計要求，圖紙標定的許用硬度大于800HV，活塞桿表面硬度：53HRC～58HRC，對不合格產(chǎn)品進行返廠處理。

其次，對油缸下部結(jié)構(gòu)件進行改進。原油缸臂架采取箱式結(jié)構(gòu)，上部有防護板防止重物掉落撞壞油缸，下部是全封閉空間。在保證結(jié)構(gòu)強度前提下，在臂架下方開兩個方形孔，使作業(yè)時上方碎石和煤渣掉落到腔體內(nèi)部，通過方形孔排出臂架外，避免造成沉積，最終限制油缸活動范圍使其承受彎矩，從而造成斷裂[4-5]。

4 結(jié)論

現(xiàn)有某型號巷道修復(fù)機在煤礦巷道維修使用過程中發(fā)生了斗桿油缸缸桿斷裂故障，設(shè)備使用工況為泥巖和半煤巖工況，巖石硬度為F5～F6，設(shè)備運行109小時發(fā)生斗桿油缸缸桿斷裂故障，再更換油缸后運行45小時后又斷裂，為精準地找出故障根本原因，在油缸返司后第一時間對其進行了機械性能和材料化學(xué)成分檢驗，分別從設(shè)計計算、產(chǎn)品質(zhì)量及使用工況三個方面進行了分析，根據(jù)分析結(jié)果得出故障原因。該油缸杠桿的失效模式屬于脆性斷裂。油缸杠桿表面有微裂紋和孔洞等缺陷，在反復(fù)的拉-壓作用力下，缺陷發(fā)生擴展，導(dǎo)致油缸杠桿承受交變應(yīng)力的能力下降而發(fā)生脆性斷裂。針對故障原因制定改進對策，為巷道修復(fù)機油缸及臂架的設(shè)計、制造及故障分析提供了借鑒和幫助。