典型液壓支架立柱缸體材料疲勞性能研究

程相榜，李 爭，王 爐，趙小輝

(1.鄭煤機智鼎液壓有限公司，河南 鄭州 450016； 2.鄭州煤礦機械集團股份有限公司，河南 鄭州 450016；3.吉林大學 材料科學與工程學院，吉林 長春 130025)

隨著煤礦產業的快速發展，對液壓支架等支護設備的需求也隨之增加，需要在現有設備的基礎上開發具有更長使用壽命、更經濟的設備材料和更高安全性的高端液壓支架。液壓支架未來會朝著強力化、標準化、多樣化、自動化方向不斷發展[1]。液壓支架也需要具備有不同的類型和性能來適用于不同的地質環境和工況條件[2-3]。作為綜采支護設備的液壓支架的安全性、穩定性和服役壽命，對綜采的安全性及自動化綜采的穩定性起到決定性的作用[4-5]。因此，需要開發具有更長使用壽命、更經濟的設備材料和更高安全性的高端液壓支架[6-7]。

在礦井下服役過程中，液壓支架需要上下升降及前后移動來完成綜采時的支護任務。其動力來源就是液壓支架油缸，通過油缸的升降，驅動了液壓支架的移動和升降[8]。在升降循環過程中，油缸承受交變載荷，容易發生疲勞破壞，一旦油缸發生疲勞失效將會對生產安全和企業效益產生不利影響，從設計、制造角度保證油缸的疲勞可靠性對保證液壓支架服役的安全可靠性非常重要[9-10]。本文研究了典型油缸材料在交變載荷下的疲勞性能，對幾種油缸材料進行疲勞測試，獲得疲勞S—N曲線，并從微觀角度分析基體組織和疲勞斷口形貌，確定了不同材料的疲勞性能數據，為不同疲勞壽命下油缸材料選擇提供理論指導。

1 試驗材料

試驗材料為30CrMnSi、27SiMn、30CrMo三種液壓支架油缸常用的高強鋼管，鋼管直徑495 mm、壁厚45 mm，其化學成分見表1。

表1 30CrMnSi、27SiMn、30CrMo化學成分Tab.1 Chemical constituents of 30CrMnSi，27SiMn and 30CrMo %

在液壓支架油缸生產中，3種試驗材料的熱處理工藝為水冷淬火后在500～650 ℃溫度范圍內回火的調質處理，金相組織為調質后的回火索氏體，其中針狀鐵素體占絕大多數，粒狀的滲碳體分布其中，很大程度上提高了材料的強度和硬度，并且塑性和韌性相對于馬氏體組織也有較大提高。強度、剛度和疲勞壽命是對工程結構和機械使用的3個基本要求[11-12]，本文依據國標GB/T 228.1—2010，對3種材料進行了強度拉伸力學性能的測試，測試結果見表2。

表2 30CrMnSi、27SiMn、30CrMo力學性能Tab.2 Mechanical properties of 30CrMnSi，27SiMn and 30CrMo

2 疲勞試樣形式及試驗方法

(1)試樣形式。液壓支架油缸3種材料的疲勞試樣采用平板結構形式如圖1所示。試樣制備采用線切割從熱處理后的鋼管上取下，再進行磨削加工。

圖1 原始母材疲勞試樣形式及尺寸 Fig.1 Form and size of fatigue sample of original base metal

(2)疲勞試驗方法。疲勞試驗根據ASTM E468[13]標準測試，進行疲勞試驗前將試樣打磨光滑，進行室溫交變載荷疲勞試驗[14]。每種材料采用20根疲勞試樣，在相應材料屈服強度5%的差值應力水平下逐級加載。根據GB—25974.1中耐久性能加載曲線(圖2)，加載壓力分別為1.05倍的額定工作壓力(最大載荷)和0.25倍的額定工作壓力(最小載荷)，采用應力比(最低應力/最高應力)R=0.238，加載方式為拉—拉加載，加載頻率100 Hz。通過試驗得到相應壽命，以應力為縱坐標、以循環數N為橫坐標，用最佳擬合法繪制S—N曲線[15]。

圖2 加載周期Fig.2 Loading cycle

3 試驗結果分析

3.1 疲勞試驗結果

光滑疲勞試樣經過不同水平應力的循環加載作用，斷裂位置均為試樣中心薄弱位置如圖3所示。

圖3 疲勞試斷裂宏觀示意Fig.3 Macroscopic diagram of fatigue test fracture

對3種材料各級應力水平加載條件下所得到的最終疲勞循環周次統計，并計算疲勞試驗數據點的最大應力和循環次數以10為底的對數值，采用冪函數模型回歸計算，擬合出試驗材料的S—N曲線如圖4所示。

圖4 三種高強鋼疲勞S—N曲線 Fig.4 Fatigue S-N curves of three kinds of high strength steels

從圖4中可知，在3×104、6×104、9×104、106次循環下材料的疲勞強度見表3。圖4顯示，材料光滑試樣的疲勞性能存在區別，相比之下疲勞性能30CrMnSi>30CrMo>27SiMn，結合材料的力學性能表2可以看出光滑試樣的疲勞強度與屈服強度存在正比關系，且3種材料在1×106次循環下的疲勞強度均接近與材料的屈服強度。依據該試驗結果，本文認為理論上提高材料的屈服強度可以對應提高其疲勞性能。

表3 對應于不同循環次數的不同材料疲勞強度Tab.3 Fatigue strength of different materials corresponding to different cycles MPa

依據表3和圖4的疲勞強度數據，結合不同客戶對缸筒使用壽命的不同，在油缸設計及材料選擇時，缸筒名義應力不能優化減小時，就要選擇疲勞強度高的材料，如果可以通過結構優化減小名義應力，設計人員就可以選擇屈服強度低價格低的材料。無論何種情況設計應力不得超過要求壽命對應的疲勞強度。在僅有27SiMn、30CrMo、30CrMnSi選擇的情況下，本文建議在3×104、6×104次、9×104次壽命下油缸設計應力分別不超過684、669、659 MPa，這樣在設計時，可僅進行靜載設計即可。

3.2 疲勞斷口分析

利用SEM對疲勞試樣斷口進行微觀分析，從疲勞斷口看典型的疲勞斷裂方式有3鐘，穿晶斷裂為韌性斷裂方式，伴隨韌性條紋出現；解理斷裂清晰可見的解理小平面和河流花樣；沿晶斷裂可觀察到長條型的沿晶裂紋。

試樣疲勞斷口SEM形貌如圖5所示。

圖5 試樣疲勞斷口SEM形貌Fig.5 SEM appearance of fatigue fracture of sample

由圖5可以看出，3種試樣的斷裂方式為典型的疲勞斷裂，從不同斷口圖中可以發現裂紋源位置都在疲勞試樣表面的缺陷或夾雜處，由于表面缺陷位置屬于應力集中區域，在循環加載條件下成為薄弱位置，導致裂紋源形成；裂紋的擴展過程可以清楚看到貝殼紋的存在，與裂紋的擴展方向垂直并發散開來，在高倍率的顯微鏡下可以觀察到疲勞的典型特征疲勞輝紋，疲勞輝紋由每次應力循環的過程中產生，一般可以用判斷裂紋擴展的快慢。

由圖5(a)可知，30CrMnSi試樣的裂紋源位置在表面的點狀雜質處，并且在循環應力的加載下向內部延伸，為典型的穿晶斷裂斷口，最后裂紋迅速擴展導致試樣斷裂；由圖5(b)可知，27SiMn試樣的裂紋源在左下角的缺陷處，作為表面的應力集中位置，裂紋容易在此萌生，在循環應力作用下向內部擴展，可以觀察到典型的貝殼紋花樣，清晰地觀察到裂紋擴展的方向，在更高倍數觀察可以發現解理斷裂形成的解理小平面；由圖5(c)可知，30CrMo試樣與圖5(b)的斷裂位置和形式相似，裂紋在左下角表面的應力集中位置向內擴展最終導致斷裂。

4 結論

(1)液壓支架油缸材料27SiMn、30CrMo、30CrMnSi的S—N曲線顯示，光滑試樣的疲勞性能存在區別，相比之下疲勞性能30CrMnSi>30CrMo>27SiMn。

(2)從液壓支架油缸材料27SiMn、30CrMo、30CrMnSi疲勞強度和屈服強度對應關系可以看出，光滑試樣的疲勞強度與屈服強度存在正比關系，且3種材料在1×106次循環下的疲勞強度均接近與材料的屈服強度，提高材料的屈服強度可以提高其疲勞性能。

(3)在僅有27SiMn、30CrMo、30CrMnSi選擇的情況下，本文建議在3×104、6×104、9×104次壽命下油缸設計應力分別不超過684、669、659 MPa。

(4)從疲勞斷口顯微組織可以得知，裂紋萌生位置為表面應力集中區，材料的表面狀態及表面缺陷嚴重影響液壓支架的疲勞性能，本試驗僅從材料光滑試驗出發探討了現有3種材料的疲勞性能，對于有表面焊接結構的油缸的疲勞仍需深入研究。