60HP拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸斷裂原因分析

同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 （上海 200092）張 慶

近期，我公司新研制的60HP兩輪驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)，在田間作旋耕試驗(yàn)時(shí)，動(dòng)力輸出軸發(fā)生了4次折斷的現(xiàn)象（見圖1）。動(dòng)力輸出軸是實(shí)現(xiàn)將拖拉機(jī)的動(dòng)力向農(nóng)機(jī)具傳遞的關(guān)鍵部件，如果該問題不能解決，將影響該型車的研制及投產(chǎn)。

圖1

1.背景信息

共斷4 次，使用時(shí)間及工況見表1。

表1

動(dòng)力輸出軸斷時(shí)，拖拉機(jī)正進(jìn)行旋耕作業(yè)，在農(nóng)田的中間，未在田頭的轉(zhuǎn)彎處（見圖 2）。

圖2

圖樣材料技術(shù)要求：20NC6或18NCD6、20CrNi3H，硬度為58～61HRC，滲碳深度為0.7～1mm；實(shí)際使用材料20MnCr5（化學(xué)成分見表2），標(biāo)準(zhǔn)參見 DIN EN 10084，心部硬度為30～45HRC。

表2 20MnCr5化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

該拖拉機(jī)設(shè)計(jì)功率為60HP，采用三點(diǎn)液壓提升裝置。旋耕的特點(diǎn)是負(fù)荷波動(dòng)大，容易產(chǎn)生超載導(dǎo)致斷軸。

2.檢查及檢測(cè)

（1）工況檢查 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作了調(diào)查并攝像。經(jīng)反復(fù)觀察，拖拉機(jī)處于正常操作及工作狀態(tài)，田間沒有發(fā)現(xiàn)硬的異物。萬向節(jié)及傳動(dòng)軸上沒有多少纏繞的作物及雜草等非正常異物。

（2）尺寸檢查 動(dòng)力輸出軸頸處R52mm值（見圖3），實(shí)物檢查為只有32mm，不符合要求。其他實(shí)物尺寸與圖樣相符。

圖3

（3）材料檢查 化學(xué)成分檢查見表3，檢查結(jié)果顯示，實(shí)物與圖樣標(biāo)準(zhǔn)不符合。

表3 實(shí)際檢驗(yàn)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

硬度及表面硬度分布檢查。表面硬度及分布見表4，可見表面硬度符合圖樣要求，而滲碳層深度（見表5）不合格。心部硬度見表6，符合要求。

表4 表面硬度檢測(cè) （HRC）

表5 滲碳層深度檢測(cè)

圖4

表6 心部硬度檢測(cè) （HRC）

金相檢查，滲碳層組織要求為回火馬氏體和10%～30%的殘留奧氏本組成，實(shí)際上沒有發(fā)現(xiàn)殘留奧氏體（見圖5），不合格。

圖5

心部組織應(yīng)為回火馬氏體及少量的非馬氏體組織，實(shí)際上出現(xiàn)了大量的非馬氏體組織、貝氏體及鐵素體（見圖6）。

圖6

對(duì)斷口部位檢查，斷口見圖7a，裂紋源部位見圖7b，裂紋源尾部見圖7c。

圖7

3.結(jié)果分析

（1）背景、工況分析 公司其他產(chǎn)品的動(dòng)力輸出軸在旋耕作業(yè)時(shí)也出現(xiàn)過折斷現(xiàn)象，這與田間作業(yè)時(shí)負(fù)荷大、復(fù)雜的特點(diǎn)直接相關(guān)。本次田間作業(yè)環(huán)境、地況正常，且動(dòng)力輸出軸和提升裝置位置的使用情況與其他機(jī)型差別不大，不應(yīng)是折斷的主要因素。

（2）尺寸分析 動(dòng)力輸出軸、萬向節(jié)和提升裝置與農(nóng)機(jī)安裝具的尺寸及設(shè)計(jì)是否正確，沒有得到國(guó)外設(shè)計(jì)者的反饋信息及確認(rèn)，有待于求證。

（3）材料分析 供應(yīng)商使用了不同的材料。根據(jù)EN10084-2008，材料交付使用情況的滲碳層深要求，圖樣材料牌號(hào) 20NC6（等價(jià)材料為18NiCr5-4）與 20CrMn（等價(jià)材料 20MnCr5）淬硬性及淬透性相當(dāng)，見表7。實(shí)物材料的淬硬性及淬透性能符合圖樣材料要求。

（4）硬度分析 表面硬度、心部硬度及其分布符合要求，而滲層深度超差僅0.08mm，不是動(dòng)力輸出軸折斷原因。

表7

（5）金相組織分析 滲層殘留奧氏體含量很少，遠(yuǎn)低于圖樣要求。對(duì)于殘留奧氏體含量，國(guó)內(nèi)熱處理同行一般認(rèn)為可以越少越好，而且可以采取措施來減少它。所以，對(duì)這個(gè)數(shù)值有爭(zhēng)議，但是其不是造成動(dòng)力輸出軸斷的主因。

心部組織，非馬氏體含量較多不合適，因?yàn)樾牟坑捕仁莿?dòng)力輸出軸強(qiáng)度的決定因素。

（6）斷口分析 宏觀斷口粗糙，是一次性折斷，非疲勞失效；在SEM視場(chǎng)內(nèi)，裂紋源位置出現(xiàn)的是沿晶斷裂形態(tài)，在裂紋源尾部出現(xiàn)的主要是韌窩形態(tài)。而且，從化學(xué)成分和SEM圖片看，材料純凈度高，夾雜物少，未見異常。

（7）加工工藝 流程為：材料檢驗(yàn)→外協(xié)檢驗(yàn)→正火→粗車→精車→滾花鍵→滾矩形花鍵→銑槽→鉆油孔→熱處理→熱檢→拋丸→研孔→校直→攻螺紋→磨外圓→成品。生產(chǎn)工藝安排是標(biāo)準(zhǔn)的。

（8）熱處理工藝 見圖8。針對(duì)熱處理結(jié)果，840℃等溫和80℃油冷，可以作些調(diào)整。

圖8

（9）綜合分析 動(dòng)力輸出軸的使用工況條件沒有發(fā)現(xiàn)異常，在正常作業(yè)中，一次性出現(xiàn)了扭斷，沒有疲勞；旋耕的負(fù)荷大，需要內(nèi)在綜合性能更好；動(dòng)力輸出軸的強(qiáng)度應(yīng)該再加強(qiáng)些，從扭斷情況及金相圖片看，問題可能出在針對(duì)現(xiàn)有材料的熱處理組織上，需要以綜合性能好的板條馬氏體為主，非馬氏體組織再少些；材料是典型的低碳馬氏體鋼，應(yīng)該通過熱處理充分得到該鋼的設(shè)計(jì)組織及材料性能；萬向節(jié)、三點(diǎn)懸掛等安裝位置、尺寸的影響因素，沒有得到設(shè)計(jì)者的分析確認(rèn)。

從目前掌握情況看，動(dòng)力輸出軸的斷裂主要是熱處理工藝引起的。

4.建議和改進(jìn)措施

建議在此基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)、跟蹤、驗(yàn)證，不斷改善零件質(zhì)量。與供應(yīng)商溝通定制熱處理工藝，與其他滲碳零件工藝差異化；如果現(xiàn)在熱處理設(shè)備及工藝能力不能達(dá)到材料組織要求，考慮采用淬硬性和淬透性更好的材料，如18NCD6或20CRNI3H；與設(shè)計(jì)者溝通，關(guān)注安裝調(diào)整位置尺寸因素，減少?gòu)较蚍重?fù)荷的風(fēng)險(xiǎn)。