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        60HP拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸斷裂原因分析

        2014-11-24 08:22:50同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院上海200092
        金屬加工(熱加工) 2014年5期
        關(guān)鍵詞:分析

        同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 (上海 200092)張 慶

        近期,我公司新研制的60HP兩輪驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī),在田間作旋耕試驗(yàn)時(shí),動(dòng)力輸出軸發(fā)生了4次折斷的現(xiàn)象(見(jiàn)圖1)。動(dòng)力輸出軸是實(shí)現(xiàn)將拖拉機(jī)的動(dòng)力向農(nóng)機(jī)具傳遞的關(guān)鍵部件,如果該問(wèn)題不能解決,將影響該型車(chē)的研制及投產(chǎn)。

        圖1

        1.背景信息

        共斷4 次,使用時(shí)間及工況見(jiàn)表1。

        表1

        動(dòng)力輸出軸斷時(shí),拖拉機(jī)正進(jìn)行旋耕作業(yè),在農(nóng)田的中間,未在田頭的轉(zhuǎn)彎處(見(jiàn)圖 2)。

        圖2

        圖樣材料技術(shù)要求:20NC6或18NCD6、20CrNi3H,硬度為58~61HRC,滲碳深度為0.7~1mm;實(shí)際使用材料20MnCr5(化學(xué)成分見(jiàn)表2),標(biāo)準(zhǔn)參見(jiàn) DIN EN 10084,心部硬度為30~45HRC。

        表2 20MnCr5化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        該拖拉機(jī)設(shè)計(jì)功率為60HP,采用三點(diǎn)液壓提升裝置。旋耕的特點(diǎn)是負(fù)荷波動(dòng)大,容易產(chǎn)生超載導(dǎo)致斷軸。

        2.檢查及檢測(cè)

        (1)工況檢查 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作了調(diào)查并攝像。經(jīng)反復(fù)觀察,拖拉機(jī)處于正常操作及工作狀態(tài),田間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)硬的異物。萬(wàn)向節(jié)及傳動(dòng)軸上沒(méi)有多少纏繞的作物及雜草等非正常異物。

        (2)尺寸檢查 動(dòng)力輸出軸頸處R52mm值(見(jiàn)圖3),實(shí)物檢查為只有32mm,不符合要求。其他實(shí)物尺寸與圖樣相符。

        圖3

        (3)材料檢查 化學(xué)成分檢查見(jiàn)表3,檢查結(jié)果顯示,實(shí)物與圖樣標(biāo)準(zhǔn)不符合。

        表3 實(shí)際檢驗(yàn)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        硬度及表面硬度分布檢查。表面硬度及分布見(jiàn)表4,可見(jiàn)表面硬度符合圖樣要求,而滲碳層深度(見(jiàn)表5)不合格。心部硬度見(jiàn)表6,符合要求。

        表4 表面硬度檢測(cè) (HRC)

        表5 滲碳層深度檢測(cè)

        圖4

        表6 心部硬度檢測(cè) (HRC)

        金相檢查,滲碳層組織要求為回火馬氏體和10%~30%的殘留奧氏本組成,實(shí)際上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)殘留奧氏體(見(jiàn)圖5),不合格。

        圖5

        心部組織應(yīng)為回火馬氏體及少量的非馬氏體組織,實(shí)際上出現(xiàn)了大量的非馬氏體組織、貝氏體及鐵素體(見(jiàn)圖6)。

        圖6

        對(duì)斷口部位檢查,斷口見(jiàn)圖7a,裂紋源部位見(jiàn)圖7b,裂紋源尾部見(jiàn)圖7c。

        圖7

        3.結(jié)果分析

        (1)背景、工況分析 公司其他產(chǎn)品的動(dòng)力輸出軸在旋耕作業(yè)時(shí)也出現(xiàn)過(guò)折斷現(xiàn)象,這與田間作業(yè)時(shí)負(fù)荷大、復(fù)雜的特點(diǎn)直接相關(guān)。本次田間作業(yè)環(huán)境、地況正常,且動(dòng)力輸出軸和提升裝置位置的使用情況與其他機(jī)型差別不大,不應(yīng)是折斷的主要因素。

        (2)尺寸分析 動(dòng)力輸出軸、萬(wàn)向節(jié)和提升裝置與農(nóng)機(jī)安裝具的尺寸及設(shè)計(jì)是否正確,沒(méi)有得到國(guó)外設(shè)計(jì)者的反饋信息及確認(rèn),有待于求證。

        (3)材料分析 供應(yīng)商使用了不同的材料。根據(jù)EN10084-2008,材料交付使用情況的滲碳層深要求,圖樣材料牌號(hào) 20NC6(等價(jià)材料為18NiCr5-4)與 20CrMn(等價(jià)材料 20MnCr5)淬硬性及淬透性相當(dāng),見(jiàn)表7。實(shí)物材料的淬硬性及淬透性能符合圖樣材料要求。

        (4)硬度分析 表面硬度、心部硬度及其分布符合要求,而滲層深度超差僅0.08mm,不是動(dòng)力輸出軸折斷原因。

        表7

        (5)金相組織分析 滲層殘留奧氏體含量很少,遠(yuǎn)低于圖樣要求。對(duì)于殘留奧氏體含量,國(guó)內(nèi)熱處理同行一般認(rèn)為可以越少越好,而且可以采取措施來(lái)減少它。所以,對(duì)這個(gè)數(shù)值有爭(zhēng)議,但是其不是造成動(dòng)力輸出軸斷的主因。

        心部組織,非馬氏體含量較多不合適,因?yàn)樾牟坑捕仁莿?dòng)力輸出軸強(qiáng)度的決定因素。

        (6)斷口分析 宏觀斷口粗糙,是一次性折斷,非疲勞失效;在SEM視場(chǎng)內(nèi),裂紋源位置出現(xiàn)的是沿晶斷裂形態(tài),在裂紋源尾部出現(xiàn)的主要是韌窩形態(tài)。而且,從化學(xué)成分和SEM圖片看,材料純凈度高,夾雜物少,未見(jiàn)異常。

        (7)加工工藝 流程為:材料檢驗(yàn)→外協(xié)檢驗(yàn)→正火→粗車(chē)→精車(chē)→滾花鍵→滾矩形花鍵→銑槽→鉆油孔→熱處理→熱檢→拋丸→研孔→校直→攻螺紋→磨外圓→成品。生產(chǎn)工藝安排是標(biāo)準(zhǔn)的。

        (8)熱處理工藝 見(jiàn)圖8。針對(duì)熱處理結(jié)果,840℃等溫和80℃油冷,可以作些調(diào)整。

        圖8

        (9)綜合分析 動(dòng)力輸出軸的使用工況條件沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常,在正常作業(yè)中,一次性出現(xiàn)了扭斷,沒(méi)有疲勞;旋耕的負(fù)荷大,需要內(nèi)在綜合性能更好;動(dòng)力輸出軸的強(qiáng)度應(yīng)該再加強(qiáng)些,從扭斷情況及金相圖片看,問(wèn)題可能出在針對(duì)現(xiàn)有材料的熱處理組織上,需要以綜合性能好的板條馬氏體為主,非馬氏體組織再少些;材料是典型的低碳馬氏體鋼,應(yīng)該通過(guò)熱處理充分得到該鋼的設(shè)計(jì)組織及材料性能;萬(wàn)向節(jié)、三點(diǎn)懸掛等安裝位置、尺寸的影響因素,沒(méi)有得到設(shè)計(jì)者的分析確認(rèn)。

        從目前掌握情況看,動(dòng)力輸出軸的斷裂主要是熱處理工藝引起的。

        4.建議和改進(jìn)措施

        建議在此基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)、跟蹤、驗(yàn)證,不斷改善零件質(zhì)量。與供應(yīng)商溝通定制熱處理工藝,與其他滲碳零件工藝差異化;如果現(xiàn)在熱處理設(shè)備及工藝能力不能達(dá)到材料組織要求,考慮采用淬硬性和淬透性更好的材料,如18NCD6或20CRNI3H;與設(shè)計(jì)者溝通,關(guān)注安裝調(diào)整位置尺寸因素,減少?gòu)较蚍重?fù)荷的風(fēng)險(xiǎn)。

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