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曲柄销轴断裂分析 |
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作者：宝鸡石油机械有限责任公司 朱建军 胡赛生 |
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摘要：对曲柄销轴在采油设备上的安装配合情况进行了调查，在此基础上，分析了销轴在采油设备工作时的受力情况，并通过化学分析、金相检验和扫描电镜等方法对销轴断裂失效进行了分析。结果表明，该销轴在交变偏斜拉应力的作用下，在销轴的应力集中处--退刀槽根部产生疲劳裂纹，最终导致疲劳断裂。另外钢材质量欠佳、组织不良也促进了断裂过程的进行。
关键词：销轴；偏斜拉应力；断裂；疲劳
1 情况简介
某油田用于采油的某型设备，安装使用不到半年其左侧曲柄销轴即产生断裂，造成停产事故。据了解，在此之前该设备的曲柄销轴断裂事故曾发生过多起，虽在材料和工艺方面做过一些改进，但从本例销轴断裂情况看，还不尽如人意。断裂销轴材料为35CrMo钢，生产工艺流程:锻→粗加工→调质处理→精加工。调质处理硬度要求为225～300HBS。
2检验与结果
2.1宏观断口分析
图1为销轴及断裂部位示意图，图2为销轴断裂后的带扣端残样。断裂发生于销轴M76×3mm外圆螺纹退刀槽左侧根部，其断口形貌具有疲劳断口特征，疲劳裂纹起源于退刀槽左侧根部，然后向内部发展，最后断裂，见图3。由图3可见，疲劳区所占面积较大，约占整个断裂面的85%，说明断裂前销轴所受载荷不大。裂纹的发展呈两翼扩展较快，这说明应力集中较大。
图1销轴及断裂部位示意图(mm)
图2断裂的销轴残样
图3宏观断口形貌
2.2化学成分分析
在销轴上取样，经碳硫仪和SPECTROVA21000直读光谱仪分析，结果(质量分数)列于表1。销轴的化学成分符合GB/T3077-1999《合金结构钢》标准的要求。
2.3硬度测试
在销轴断口附近切取横向全截面硬度试片，测其截面硬度分布，结果见图4。销轴硬度较要求值低。
图4硬度(HBS)测点分布及测定结果
2.4金相检验
在断口附近取纵向试样，经研磨抛光，用4%硝酸酒精溶液侵蚀后观察，其组织呈黑白相间的条带状，黑区内有条状硫化物类夹杂，见图5。高倍下观察，白区组织为贝氏体+少量回火索氏体，黑区为回火索氏体+少量贝氏体。经评定，钢的晶粒度为8级。按GB/T10561-1989钢中非金属夹杂物评为A2.5，C1.5和D1.0。
图5带状组织及夹杂物40×
2.5断口微观分析
在销轴断口上取样，在扫描电镜下观察，疲劳源区附近有夹杂物及夹杂物脱落留下的孔洞，见图6；疲劳扩展初、中期的形貌以疲劳型准解理为主，见图7；疲劳区后期可观察到比较典型的疲劳条纹，见图8。瞬断区形貌为解理。
图6 夹杂物及孔洞
图7准解理
图8疲劳条纹
3结果分析
疲劳破坏是由周期性的交变应力引起的。而在装配良好的情况下，销轴的退刀槽处只受预紧力和极小的惯性载荷。图9为曲柄销轴装配示意图，锥套与曲柄是过盈配合，销轴与锥套是按照销轴本身的锥度和螺帽预紧力接触配合的，P是连杆施给销轴的交变载荷。如果螺帽产生轴向松动，这就在销图6夹杂物及孔洞轴与锥套间产生间隙，使销轴有活动的余地，在周期性力P的作用下销轴发生窜动。这时断口面上承受的力有预紧力和因销轴窜动而传递的拉应力，该拉应力是呈周期性变化的。这样，销轴实际上承受的是交变的偏斜拉伸载荷，这种载荷的存在是引起销轴疲劳断裂的主要原因。
图9销轴装配示意图
由图2所示的失效疲劳断口可见，静断区面积只占很小一部分，而疲劳扩展区面积很大，这说明整个销轴一侧所受交变偏斜拉伸应力不大。试验结果表明，销轴的硬度偏低，即强度偏低；另外，退刀槽根部未按图纸要求加工成圆角，而近乎尖角，这必然使根部应力集中增大，从而使裂纹萌生期缩短。而裂纹一旦产生，裂纹尖端始终受到较大的应力[1]，因而，在交变载荷下不断扩展，直至失稳断裂。金相和断口分析发现，钢材本身存在较多的夹杂物，带状组织比较严重，组织不良对钢的韧性，特别是横向韧性不利，均会降低金属的疲劳抗力。
4结论
失效销轴由于螺帽的松动而承受的交变偏斜拉应力，是导致销轴在应力集中处———退刀槽根部产生早期疲劳断裂的主要原因。另外，退刀槽过渡圆角不符合图纸要求、钢材和热处理质量欠佳也促进了这一过程的进行。
5建议
(1)设备使用一段时间后，应用液压扭力扳手紧固销轴上的螺帽，确保螺帽对销轴的预紧力。
(2)机加工必须严格按照图纸及工艺要求进行，确保退刀槽过渡圆角符合要求，并加强对该部位几何尺寸和加工质量的检查。
(3)严格控制原材料、锻造质量及热处理工艺。(end)
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(12/25/2006) |
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