蔣伯平，劉俊英，胡曉麗，張慧星

（天津工程機(jī)械研究院，天津 300409）

0 引 言

裝載機(jī)三四擋擋軸上裝配2組（每組2個(gè)）軸承，此擋軸在變速箱中與一擋、二擋及輸出軸連接，設(shè)計(jì)壽命為8 000h。某ZL60裝載機(jī)原結(jié)構(gòu)采用滾珠軸承，為了減小變速箱的體積而改為滾針軸承。在進(jìn)行工業(yè)性鏟裝試驗(yàn)中，工作約400h后發(fā)現(xiàn)，三四擋擋軸與滾針軸承配合的接觸表面損壞嚴(yán)重，產(chǎn)生粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損，出現(xiàn)了明顯的劃槽、犁溝等缺陷［1］。SEM圖像顯示，擋軸的滲碳層和基體中都產(chǎn)生了裂紋，屬于過早失效，影響了裝載機(jī)的正常工作。本文分析并確定了該三四擋擋軸的失效的原因，提出改進(jìn)方法。

1 裝載機(jī)三四擋擋軸的基本情況

1.1 主要尺寸

三四擋擋軸的主要幾何尺寸和滾針軸承位置如圖1所示。

1.2 技術(shù)要求

（1）Ф50與Ф52表面滲碳淬火，滲碳層深0.8～1.2mm。

（2）Ф50與Ф52處的表面硬度為58～64（HRC），其余為33～48（HRC）。

1.3 工作條件

擋軸的轉(zhuǎn)速V＝1.49～9.18m·s-1，使用8號(hào)潤滑油強(qiáng)制潤滑，油溫為80℃～100℃，最高溫度為140℃。

2 三四擋擋軸的檢測(cè)

三四擋擋軸及其損壞情況如圖2、3所示。為了分析擋軸的失效原因，對(duì)損壞部位分別進(jìn)行硬度、化學(xué)成分與金相組織檢測(cè)。檢測(cè)分析試塊如圖4所示。

2.1 硬度檢測(cè)

圖1 擋軸的主要幾何尺寸和滾針軸承位置

圖2 表面損壞的三四擋擋軸

圖3 三四擋擋軸的損壞部位

圖4 檢測(cè)分析試塊

對(duì)擋軸的表面與斷面進(jìn)行硬度檢測(cè)。結(jié)果表明：滲碳軸的硬度滿足“表面達(dá)到58～64（HRC），其余為33～48（HRC）”的技術(shù)要求。

2.2 基體化學(xué)成分檢測(cè)

表1 為擋軸使用的材料20CrMnTi的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分（GB／T3077—1999），表2為擋軸基體的化驗(yàn)結(jié)果。

2.3 金相組織檢測(cè)

擋軸的金相組織如圖5所示。從表面到內(nèi)部依次為：馬氏體＋少量殘余奧氏體（圖5（a））；馬氏體＋貝氏體（圖5（b））；馬氏體＋貝氏體＋少量鐵素體（圖5（c））。

上述檢測(cè)結(jié)果表明，擋軸滲碳后的硬度、化學(xué)成分和金相組織均滿足技術(shù)要求。

圖5 擋軸的金相組織

3 擋軸的失效分析

由上述檢測(cè)結(jié)果可知，擋軸的硬度、化學(xué)成分和金相組織均滿足技術(shù)要求，因此，應(yīng)通過磨損機(jī)理的兩個(gè)階段分析其失效原因。

3.1 粘著磨損階段

3.1.1 宏觀形貌

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，擋軸使用約100h后，滾針軸承的接觸面產(chǎn)生了麻坑，數(shù)量為3～5個(gè)·cm-2，但分布不均勻，這是較為典型的粘著磨損損壞形式。

表1 20CrMnTi的化學(xué)成分%

表2 擋軸的化驗(yàn)結(jié)果 %

3.1.2 失效分析

近代摩擦理論認(rèn)為，由于金屬表面起伏的性質(zhì)（受加工技術(shù)的限制），用一定倍數(shù)的放大鏡就可觀察到接觸僅發(fā)生在少數(shù)幾個(gè)孤立的點(diǎn)上。由于塑性和彈性變形，在擋軸的接觸面上形成了金屬接點(diǎn)［2］，這些接點(diǎn)分布在擋軸與滾針“接觸面”的有關(guān)部位，如圖6中的 M1、M2、M3等。

圖7 磨損表面表面的宏觀形貌

圖6 擋軸與滾針的接觸

圖8 磨損表面的劃槽、犁溝及凹坑等缺陷

當(dāng)擋軸和滾針軸承承載后，作用在微凸體上的接觸壓力很大，因此產(chǎn)生了很高的接觸壓應(yīng)力，再加上高速轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度（最大可達(dá)到9.18m·s-1），會(huì)使微凸體上的接觸點(diǎn)發(fā)生冷焊現(xiàn)象，這些冷焊點(diǎn)會(huì)在切向力的作用下被“剪斷”而形成粘著磨損，由此產(chǎn)生不均勻麻點(diǎn)。

另外，在本運(yùn)行階段（0～100h左右）內(nèi)，擋軸表面疲勞的損壞作用在擋軸一開始運(yùn)行就產(chǎn)生了，只不過在此階段作用的時(shí)間較短，尚未呈現(xiàn)出損壞的宏觀形貌，但內(nèi)在的微觀損壞已發(fā)生［3］。

3.2 滲碳層和次表層的磨損破壞和磨粒的形成

3.2.1 宏觀形貌

擋軸運(yùn)行約400h后，損壞表面的宏觀形貌如圖7所示。損壞表面極為粗糙，凹凸不平，同時(shí)有很明顯的劃槽、犁溝等缺陷。從磨損機(jī)理上分析，它幾乎包括了粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損等幾種主要的磨損破壞類型，如圖8所示。

3.2.2 失效分析

根據(jù)擋軸的工況條件、受力狀態(tài)、材質(zhì)和技術(shù)條件，結(jié)合擋軸損壞的宏觀形貌進(jìn)行綜合分析，磨損處的磨粒來源只能是滲碳層磨損破壞后所形成的脆硬、尖銳的金屬磨粒。經(jīng)過對(duì)金屬磨粒進(jìn)行化學(xué)成分的定性分析，發(fā)現(xiàn)其成份與20CrMnTi滲碳層的成分相符［4］。用VHX-500F超景深三維顯微系統(tǒng)拍攝滲碳層破壞后形成的磨粒，如圖9所示。滲碳層磨損破壞表面的SEM圖像如圖10所示，圖中可以看到材料的塑性流變和堆積。

圖9 滲碳層磨損破壞后形成的磨粒

3.3 基體和滲碳層的微觀形貌

基體和滲碳層的微觀形貌如圖12所示。

圖10 滲碳層磨損破壞表面的SEM圖像

圖11 基體和滲碳層中的裂紋

從圖11中可以明顯地看到，擋軸的滲碳層和基體中都產(chǎn)生了裂紋。由此說明，失效的根本原因是擋軸的抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度不能滿足裝載機(jī)高負(fù)荷的要求，所以造成了過早的損壞。

4 結(jié) 語

通過對(duì)裝載機(jī)三四擋擋軸過早失效的原因進(jìn)行分析研究，建議采取增加軸的直徑、改進(jìn)材料和熱加工工藝等提高其強(qiáng)度和耐磨性的改進(jìn)措施。