1.故障現(xiàn)象
1臺使用3了個(gè)月的ZL50C型裝載機(jī)，在毫無前兆的情況下，其雙變?yōu)V油器上的內(nèi)六角螺栓突然斷裂。該裝載機(jī)雙變?yōu)V油器主要由濾芯和殼體組成，其中殼體包括上蓋和筒體，均為鑄鋁材質(zhì)。上蓋和筒體通過4個(gè)8.8級內(nèi)六角螺栓組裝在一起，如圖1所示。 維修人員反映，該型裝載機(jī)在惡劣工況作業(yè)時(shí)，出現(xiàn)過多起雙變?yōu)V油器內(nèi)六角螺栓斷裂現(xiàn)象，造成上蓋與筒體分離、變矩器油外溢，導(dǎo)致裝載機(jī)無法繼續(xù)使用。
2.原因分析
拆解雙變?yōu)V油器后發(fā)現(xiàn)其筒體完好，上蓋出現(xiàn)損壞。斷口表面基本平直，與螺栓軸線垂直，斷口無明顯塑性變形，斷裂螺栓的2個(gè)斷口可以上、下吻合，說明螺栓硬度較高。螺栓的斷口形狀如圖2所示。 (1)分析螺栓斷口
螺栓正確安裝后，其螺紋連接處的第1扣大約承受25%的總載荷，第2扣承受19%的總載荷，因此60%~65%螺栓斷裂均位于螺紋連接處第1扣的根部。該雙變?yōu)V油器螺栓的斷裂就是發(fā)生在第1扣螺紋根部，由此可知螺栓第1扣螺紋位置確實(shí)承受了較大的載荷，載荷過大是引起螺栓斷裂的主要原因。
(2)分析螺栓斷裂面
我們從螺栓的斷裂面發(fā)現(xiàn)，該斷裂面形成的區(qū)域非常明顯，可清楚看到疲勞裂紋源、疲勞擴(kuò)展區(qū)和脆性斷裂區(qū)。據(jù)此分析認(rèn)為，螺栓長期承受預(yù)緊力和雙變?yōu)V油器內(nèi)油液脈動沖擊的交變載荷，首先在疲勞裂紋源處產(chǎn)生裂紋，并向疲勞斷裂區(qū)延伸。當(dāng)剩余部分不足以承擔(dān)預(yù)緊力及交變載荷時(shí)，最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生斷裂。螺栓的斷裂面如圖3所示。 (3)確定斷裂原因
以上分析，雖然可以確定螺栓是由于疲勞斷裂引起，但是不能確切得出引起疲勞斷裂的原因。我們檢查了多個(gè)螺栓斷裂的雙變?yōu)V油器，對螺栓斷裂面研究后發(fā)現(xiàn)，不論哪個(gè)位置的螺栓斷裂，螺栓斷裂的疲勞裂紋源總是位于筒體近心端，疲勞擴(kuò)展區(qū)、脆性斷裂區(qū)總是位于筒體遠(yuǎn)心端。由此可推斷，所有螺栓均承受圖4中箭頭方向的彎矩，且該彎矩為交變載荷，容易造成螺栓斷裂。 螺栓承受彎矩的原因是雙變?yōu)V油器上蓋剛度不足，在裝載機(jī)工作過程中，因持續(xù)的油液脈動沖擊，引起上蓋周期性變形，導(dǎo)致上蓋中心處產(chǎn)生持續(xù)的凸起、恢復(fù)、凸起交替變形，使螺栓承受持續(xù)、交變的彎曲載荷，進(jìn)而在應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生初始的疲勞裂紋源，并逐漸擴(kuò)展增大，最終發(fā)生脆性斷裂。
3.改進(jìn)方法
由以上分析可知，單純增加螺栓直徑、提高其強(qiáng)度等級，并不能從根本上杜絕螺栓疲勞斷裂的產(chǎn)生。為此我們將雙變?yōu)V油器上蓋的厚度增加了2mm，以提高上蓋的剛度、減小其在工作時(shí)的變形量、避免螺栓承受彎曲載荷。上述改進(jìn)解決了雙變?yōu)V油器內(nèi)六角螺栓疲勞斷裂問題。