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曲柄销轴断裂分析-【新闻】电路板

发布时间:2021-04-20 12:14:47 阅读: 来源:离心泵厂家

曲柄销轴断裂分析

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

2 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225~322HBS。

2检验与结果

2.2宏观断口分析

图2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2销轴及断裂部位示意图

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SPECTROVA22222直读光谱仪分析,结果列于表2。销轴的化学成分符合GB/T3277-2999《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/T22562-2989钢中非金属夹杂物评为A2.5,C2.5和D2.2。

图5带状组织及夹杂物42×

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[2],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

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。

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。

严格控制原材料、锻造质量及热处理工艺。

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