李俊

（揚(yáng)州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，江蘇 揚(yáng)州 2 2 5 1 1 1）

液壓缸活塞桿斷裂原因分析

李俊

（揚(yáng)州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，江蘇 揚(yáng)州 2 2 5 1 1 1）

活塞桿是液壓缸的關(guān)鍵零部件，起著連接活塞和工作部件的作用。由于其工作狀態(tài)下承受的壓力和拉力較大，加之運(yùn)動(dòng)較為頻繁，因此容易損傷，導(dǎo)致斷裂。所以活塞桿必須要有足夠的耐磨性、強(qiáng)度、剛度和韌性。本文以裝載機(jī)液壓缸活塞桿斷裂為例，對(duì)液壓缸活塞桿斷裂的內(nèi)外原因展開(kāi)分析，提出應(yīng)采取的有效措施，旨在提升該產(chǎn)品的交驗(yàn)合格率，延長(zhǎng)活塞桿及液壓缸的使用壽命，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

活塞桿；斷裂原因；分析與對(duì)策

1 活塞桿斷裂原因分析

活塞桿是連接活塞和工作部件的關(guān)鍵零件，受力復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)頻繁，受到磨粒沖刷等產(chǎn)生磨損易發(fā)生斷裂。本文以經(jīng)過(guò)熱處理加工制造而成的鍍硬鉻活塞桿為例，對(duì)其斷裂原因進(jìn)行分析。

對(duì)懷疑有斷裂發(fā)生的活塞桿進(jìn)行了多次抽查后，首先對(duì)不合格產(chǎn)品進(jìn)行了檢驗(yàn)。經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)集油槽油位發(fā)生了下降，再停機(jī)檢查后，發(fā)現(xiàn)了一條長(zhǎng)約6 0厘米的裂縫，正是此裂縫導(dǎo)致漏油，而裂縫產(chǎn)生是活塞桿螺母與操作架結(jié)合部位發(fā)生了斷裂。從而導(dǎo)致中心軸在活塞桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其耳柄被擠壓到泄水錐處，裂縫加大，引起了漏油。此類故障第二次發(fā)生是在設(shè)備投產(chǎn)十年左右，在將第一次發(fā)生斷裂后進(jìn)行改造的卡環(huán)式結(jié)構(gòu)處再次發(fā)生斷裂。

對(duì)活塞桿耐磨堆焊層的性能進(jìn)行詳細(xì)檢驗(yàn)，在每次擠壓出現(xiàn)的地方做記號(hào)，通過(guò)數(shù)次操作后，操作架和活塞桿結(jié)合處移動(dòng)脫開(kāi)了近3厘米，相當(dāng)于開(kāi)度3度左右。而且某個(gè)做過(guò)記號(hào)的槳葉的銅瓦外圈被擠壓出了毛邊，并且基本所有做過(guò)記號(hào)的槳葉上都存在明顯的滲油點(diǎn)。

對(duì)活塞桿進(jìn)行熱處理，將其垂直懸掛在爐膛內(nèi)，出爐后放入冷卻水中進(jìn)行冷淬。冷卻水為循環(huán)水，溫度在四十?dāng)z氏度以下。經(jīng)過(guò)熱處理后檢驗(yàn)，其金相組織中存在大塊游離鐵素體。從縱向金相圖像上可以看到，大量鐵素組織沿著活塞桿呈帶狀分布。由此判斷導(dǎo)致活塞桿斷裂的間接原因是材質(zhì)中含有較多氧化類非金屬夾雜物，造成疲勞斷裂。

通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)，得出活塞桿抗拉強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率等數(shù)值，當(dāng)延伸率低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，活塞桿沖擊吸收能力下降，出現(xiàn)斷裂。力學(xué)性能曲線圖往往用R-ε曲線來(lái)表示：

式中：S0——試樣的初始橫截面積，L0——試樣的原始標(biāo)距。

由于該活塞桿由4 0 C r鋼制成，具有良好的綜合力學(xué)性能。由R-ε曲線（圖1）可以看出，試樣斷裂前明顯地分為4個(gè)階段。

圖1

彈性階段（OA)：在此階段材料為彈性形變，符合Ho o k定律，滿足公式：R=E ε （3）

式中：E——比例系數(shù)，稱作材料的彈性模量。

屈服階段（B C)：此階段的B′點(diǎn)稱為材料的下屈服點(diǎn)Re l，標(biāo)志著材料開(kāi)始進(jìn)入塑性變形，曲線呈現(xiàn)鋸齒狀的特點(diǎn)。

強(qiáng)化階段（C D)：該段曲線包含著彈性形變和塑性形變，其中塑性形變不可逆，此時(shí)卸載只會(huì)恢復(fù)相應(yīng)的彈性形變。通常所說(shuō)的冷作硬化現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生在此階段，就是材料的屈服強(qiáng)度會(huì)變大，但塑性變差。最大抗拉強(qiáng)度Rm會(huì)出現(xiàn)在強(qiáng)化階段的頂點(diǎn)。

頸縮階段（D E)：經(jīng)過(guò)最大抗拉強(qiáng)度之后，材料抗拉性能急劇下降，很快便發(fā)生斷裂，斷裂后塑性變形永久地保留下來(lái)，可用斷后伸長(zhǎng)率A和斷面收縮率Z來(lái)衡量，即：

式中：L u——試樣的斷后標(biāo)距；S u——試樣的斷口面積。

2 液壓缸活塞桿斷裂處理

（1）電鍍前去油除銹，在水中加入工業(yè)純硫酸和鍍鉻添加劑，將活塞桿浸入反復(fù)沖洗。清洗后烘干，電鍍時(shí)間根據(jù)鍍層厚度而定。然后檢驗(yàn)鍍層的厚度、硬度和表面外觀質(zhì)量。（2）到達(dá)室溫后放置于火爐中回爐。為了保證活塞桿表面的硬度，應(yīng)對(duì)活塞桿進(jìn)行機(jī)械加工后再進(jìn)行高頻淬火。一次加熱四只，分兩次淬火，活塞桿表面加熱到9 0 0℃左右。調(diào)節(jié)活塞桿轉(zhuǎn)速，表面再加熱到9 1 0℃，通過(guò)噴水冷卻，自身回火等技術(shù)進(jìn)行操作。淬火感應(yīng)圈采用矩形鋼管彎制而成，采用雙層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。噴水角為3 5度，孔徑為1 mm左右。感應(yīng)圈內(nèi)壁與活塞桿外徑保持2 mm的距離。淬火后檢測(cè)活塞桿材料，確保加工表面質(zhì)量與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)相符。（3）對(duì)活塞桿上的磨削裂紋進(jìn)行自身余熱回火處理，可將活塞桿應(yīng)力消除。在高頻淬火的處理中，活塞桿參與應(yīng)力與磨削加工應(yīng)力會(huì)發(fā)生疊加。當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)材料表面抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)活塞桿上的微小裂紋。這種麻絲狀裂紋是比較典型的由內(nèi)部應(yīng)力造成的鍍層裂紋。可以采用去應(yīng)力退火工序予以去除。并且在電鍍后采用去氫處理的方法，電鍍中降低電流強(qiáng)度，減少氫的析出，從而減少裂紋的產(chǎn)生。（4）通過(guò)轉(zhuǎn)漿運(yùn)行的方式，將活塞桿回位后，把斷裂處刨平、打磨，待表面裂縫達(dá)到基本平整后，在活塞桿外軸開(kāi)出坡口，這個(gè)坡口的深度應(yīng)在3～9 mm左右，將斷裂活塞桿焊接，并加裝加強(qiáng)環(huán)。焊接工藝為：焊接溫度控制在1 5 0度左右，焊完一層焊道后使用氣鏟進(jìn)行錘擊，探傷合格后工藝結(jié)束。然后將溫度加熱到2 3～2 8 0℃左右，保溫4小時(shí)后散熱冷卻，再進(jìn)行探傷。（5）在修復(fù)操作中，當(dāng)活塞桿回位后，在操作架下方加裝千斤頂，焊上擋塊。在損壞的耳柄對(duì)面將操作架恢復(fù)為水平狀態(tài)。為了保證焊接質(zhì)量，活塞桿斷裂處焊接工藝要求為坡口焊接，在操作架與活塞桿的交界面開(kāi)出V形坡口，使用砂輪機(jī)對(duì)坡口進(jìn)行打磨，使用小直徑的焊條進(jìn)行焊接，最終使活塞桿和操作架的下表面平滑。（6）加裝加強(qiáng)環(huán)，使用點(diǎn)焊固定。先清理補(bǔ)焊區(qū)，再用電加熱板預(yù)熱，溫度控制在1 2 0℃左右。以加強(qiáng)環(huán)為基準(zhǔn)，設(shè)置四個(gè)焊接分區(qū)，將電熱板放置在非施焊?jìng)?cè)進(jìn)行加熱，對(duì)外圓焊縫采用對(duì)稱分段退步焊接法進(jìn)行操作。上述施工工作量較大，且焊接現(xiàn)場(chǎng)較為狹窄，只能一人操作，所以應(yīng)使用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)。（7）在焊接過(guò)程中，每焊完一層都進(jìn)行錘擊，再進(jìn)行探傷檢查，探傷合格方可進(jìn)行下一層焊接操作。每道焊接都要將焊接的時(shí)間、規(guī)范、溫度、速度、層數(shù)進(jìn)行詳盡的記錄。在加強(qiáng)環(huán)外圓設(shè)置四個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，每隔1 5分鐘記錄一次。（8）在焊后進(jìn)行冷卻處理，分別對(duì)焊縫和活塞桿修復(fù)處進(jìn)行檢查。所有檢查結(jié)束后，方可開(kāi)機(jī)試運(yùn)行。試運(yùn)行時(shí)空載空轉(zhuǎn)，檢查機(jī)組的振幅和擺度。檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要以轉(zhuǎn)輪運(yùn)行的安全性、葉片的運(yùn)動(dòng)次數(shù)、葉片與導(dǎo)葉的協(xié)聯(lián)關(guān)系為依據(jù)。

3 大修情況簡(jiǎn)介

進(jìn)行改造大修是為了徹底杜絕活塞桿斷裂。這次大修工作的重要步驟為：（1）將轉(zhuǎn)輪機(jī)活塞桿與操作架的聯(lián)接部分由原來(lái)的螺紋聯(lián)接轉(zhuǎn)變?yōu)榭ōh(huán)結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)輪活塞進(jìn)行重新鑄造加工和更換。（2）用方木墊住并調(diào)整好方向和位置，使用鋼絲繩將活塞桿固定在操作架上，操作架下方放置四個(gè)千斤頂均勻?qū)⒉僮骷茼斊?，卸去鋼絲繩，將轉(zhuǎn)輪導(dǎo)向鍵導(dǎo)入活塞桿，把液壓油緩慢注入活塞桿中心和操作架中心，在活塞桿插入到位后，將卡環(huán)放入操作架上方卡環(huán)槽內(nèi)。緩慢放下活塞桿，裝上限位桿，用限位環(huán)鎖住卡環(huán)，上緊螺栓后進(jìn)行點(diǎn)焊操作。（3）檢查液壓缸的密封部位的摩擦力情況，如果發(fā)現(xiàn)有磨損、咬死要調(diào)整支架和液壓缸的裝配定位，甚至將變形的缸筒和組件予以更換，提高液壓缸抵抗橫向荷載的能力，對(duì)液壓缸各個(gè)組件進(jìn)行熱處理，并及時(shí)更換濾油器濾芯和液壓油。調(diào)整缸筒內(nèi)的孔和導(dǎo)向套的同心度，如有必要使用鏜床修復(fù)液壓缸缸筒內(nèi)孔的圓度，并選配適合的活塞。（4）液壓缸及活塞桿的安裝與維修，要注意保持零件清潔，可使用壓縮空氣吹凈表面臟污防止灰塵和水的滲入。對(duì)液壓油的保存要注意防止陽(yáng)光直射，避免液壓油氧化變質(zhì)。

4 結(jié)語(yǔ)

裝載機(jī)在大修結(jié)束，初次做活塞桿動(dòng)作試驗(yàn)后，工作正常，說(shuō)明大修的效果是比較好的。在次年的開(kāi)機(jī)運(yùn)行中，活塞桿依然保持正常。在之后的運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)和擺度都有了明顯的改善，證明了本次裝載機(jī)的大修和改造是成功的。

[1]衛(wèi)彩絨.采煤車主液壓缸活塞桿的設(shè)計(jì)[J].湖南農(nóng)機(jī)，2 0 1 2(5).

[2]付偉，賀志杰.液壓缸活塞桿復(fù)合不銹鋼板技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2 0 1 6(2 8).

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