裝載機擋軸的過早失效分析

蔣伯平，劉俊英，胡曉麗，張慧星

（天津工程機械研究院，天津 300409）

0 引 言

裝載機三四擋擋軸上裝配2組（每組2個）軸承，此擋軸在變速箱中與一擋、二擋及輸出軸連接，設計壽命為8 000h。某ZL60裝載機原結構采用滾珠軸承，為了減小變速箱的體積而改為滾針軸承。在進行工業性鏟裝試驗中，工作約400h后發現，三四擋擋軸與滾針軸承配合的接觸表面損壞嚴重，產生粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損，出現了明顯的劃槽、犁溝等缺陷［1］。SEM圖像顯示，擋軸的滲碳層和基體中都產生了裂紋，屬于過早失效，影響了裝載機的正常工作。本文分析并確定了該三四擋擋軸的失效的原因，提出改進方法。

1 裝載機三四擋擋軸的基本情況

1.1 主要尺寸

三四擋擋軸的主要幾何尺寸和滾針軸承位置如圖1所示。

1.2 技術要求

（1）Ф50與Ф52表面滲碳淬火，滲碳層深0.8～1.2mm。

（2）Ф50與Ф52處的表面硬度為58～64（HRC），其余為33～48（HRC）。

1.3 工作條件

擋軸的轉速V＝1.49～9.18m·s-1，使用8號潤滑油強制潤滑，油溫為80℃～100℃，最高溫度為140℃。

2 三四擋擋軸的檢測

三四擋擋軸及其損壞情況如圖2、3所示。為了分析擋軸的失效原因，對損壞部位分別進行硬度、化學成分與金相組織檢測。檢測分析試塊如圖4所示。

2.1 硬度檢測

圖1 擋軸的主要幾何尺寸和滾針軸承位置

圖2 表面損壞的三四擋擋軸

圖3 三四擋擋軸的損壞部位

圖4 檢測分析試塊

對擋軸的表面與斷面進行硬度檢測。結果表明：滲碳軸的硬度滿足“表面達到58～64（HRC），其余為33～48（HRC）”的技術要求。

2.2 基體化學成分檢測

表1 為擋軸使用的材料20CrMnTi的標準化學成分（GB／T3077—1999），表2為擋軸基體的化驗結果。

2.3 金相組織檢測

擋軸的金相組織如圖5所示。從表面到內部依次為：馬氏體＋少量殘余奧氏體（圖5（a））；馬氏體＋貝氏體（圖5（b））；馬氏體＋貝氏體＋少量鐵素體（圖5（c））。

上述檢測結果表明，擋軸滲碳后的硬度、化學成分和金相組織均滿足技術要求。

圖5 擋軸的金相組織

3 擋軸的失效分析

由上述檢測結果可知，擋軸的硬度、化學成分和金相組織均滿足技術要求，因此，應通過磨損機理的兩個階段分析其失效原因。

3.1 粘著磨損階段

3.1.1 宏觀形貌

經檢查發現，擋軸使用約100h后，滾針軸承的接觸面產生了麻坑，數量為3～5個·cm-2，但分布不均勻，這是較為典型的粘著磨損損壞形式。

表1 20CrMnTi的化學成分%

表2 擋軸的化驗結果 %

3.1.2 失效分析

近代摩擦理論認為，由于金屬表面起伏的性質（受加工技術的限制），用一定倍數的放大鏡就可觀察到接觸僅發生在少數幾個孤立的點上。由于塑性和彈性變形，在擋軸的接觸面上形成了金屬接點［2］，這些接點分布在擋軸與滾針“接觸面”的有關部位，如圖6中的 M1、M2、M3等。

圖7 磨損表面表面的宏觀形貌

圖6 擋軸與滾針的接觸

圖8 磨損表面的劃槽、犁溝及凹坑等缺陷

當擋軸和滾針軸承承載后，作用在微凸體上的接觸壓力很大，因此產生了很高的接觸壓應力，再加上高速轉動的線速度（最大可達到9.18m·s-1），會使微凸體上的接觸點發生冷焊現象，這些冷焊點會在切向力的作用下被“剪斷”而形成粘著磨損，由此產生不均勻麻點。

另外，在本運行階段（0～100h左右）內，擋軸表面疲勞的損壞作用在擋軸一開始運行就產生了，只不過在此階段作用的時間較短，尚未呈現出損壞的宏觀形貌，但內在的微觀損壞已發生［3］。

3.2 滲碳層和次表層的磨損破壞和磨粒的形成

3.2.1 宏觀形貌

擋軸運行約400h后，損壞表面的宏觀形貌如圖7所示。損壞表面極為粗糙，凹凸不平，同時有很明顯的劃槽、犁溝等缺陷。從磨損機理上分析，它幾乎包括了粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損等幾種主要的磨損破壞類型，如圖8所示。

3.2.2 失效分析

根據擋軸的工況條件、受力狀態、材質和技術條件，結合擋軸損壞的宏觀形貌進行綜合分析，磨損處的磨粒來源只能是滲碳層磨損破壞后所形成的脆硬、尖銳的金屬磨粒。經過對金屬磨粒進行化學成分的定性分析，發現其成份與20CrMnTi滲碳層的成分相符［4］。用VHX-500F超景深三維顯微系統拍攝滲碳層破壞后形成的磨粒，如圖9所示。滲碳層磨損破壞表面的SEM圖像如圖10所示，圖中可以看到材料的塑性流變和堆積。

圖9 滲碳層磨損破壞后形成的磨粒

3.3 基體和滲碳層的微觀形貌

基體和滲碳層的微觀形貌如圖12所示。

圖10 滲碳層磨損破壞表面的SEM圖像

圖11 基體和滲碳層中的裂紋

從圖11中可以明顯地看到，擋軸的滲碳層和基體中都產生了裂紋。由此說明，失效的根本原因是擋軸的抗壓強度、剪切強度和疲勞強度不能滿足裝載機高負荷的要求，所以造成了過早的損壞。

4 結 語

通過對裝載機三四擋擋軸過早失效的原因進行分析研究，建議采取增加軸的直徑、改進材料和熱加工工藝等提高其強度和耐磨性的改進措施。