车载液压阀块螺钉氢脆断裂分析与处理.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()车载液压阀块螺钉氢脆断裂分析与处理张阿玲,滕达,谭技,冯海青,凡宇(湖北三江航天万山特种车辆有限公司,湖北孝感 )摘要:针对大功率移动泵站的车载液压阀块安装螺钉出现的断裂故障进行定位排查分析,发现了螺钉的氢脆现象及其对液压系统正常工作的影响,制定了安装螺钉的改进措施并进行了试验验证,有效解决了螺钉断裂的问题.关键词:车载液压阀块;螺钉;断裂中图分类号:TH 文献标识码:B收稿日期:;修订日期:作者简介:张阿玲(),女,湖北襄阳人,高级工程师,硕士,从事地面设备传动技术研究.移动泵站车载液压阀块出现的问题大功率移动泵站主要用于隧道挖掘建设,自产品出厂 交 付 到 施 工 场 地 以 来,移 动 泵 站 累 计 工 作 了 h,移动泵站车载液压阀块的多个安装螺钉出现了断裂现象.该螺钉的主要作用是将液压平衡阀块与动臂油缸连接,保证动臂油缸在带载掘进动作时可靠驻停,顺利完成施工建设.液压阀块及螺钉断裂位置如图所示.图液压阀块及螺钉断裂位置复查液压阀块设计图纸,其螺钉规格均为G B/T M ,表面处理方式为电镀锌层,断裂的螺钉如图所示.螺钉断裂的原因分析断裂的螺钉主要用于液压阀块的安装固定,根据产品技术分析的要求,将液压阀块安装螺钉断裂问题作为顶事件,按照故障树进行故障机理分析.螺钉材质分析液压阀块的安装螺钉规格型号为G B/T M ,材质为 C r M o A,表面处理采用电镀锌.采用光谱仪检测断裂螺钉化学成分得到的结果如表所示.检测结果表明,被检测螺钉化学成分合格.图断裂的M 螺钉表断裂螺钉化学成分检测结果(质量分数)元素CS iM nC rM o要求值 检测值 将颗断裂的螺钉全部采用洛氏硬度计检测硬度,结果如表所示.螺钉硬度的要求值为HR C HR C ,检测结果表明被检测螺钉硬度合格.表断裂螺钉硬度检测结果(要求值)试样硬度(HR C)螺钉使用环境分析故障液压阀块用于动臂油缸的平衡保压控制,动臂油缸正常工作时,其受到的最大工作压力为 M P a.该阀安装螺钉数量为颗,从螺钉的产品手册上可知,单个螺钉的拧紧力矩为 Nm,根据预紧力计算公式可以得出,单个螺钉的预紧力为 k N,其中拧紧力矩系数取 .根据液压载荷计算公式,可以计算出每个安装螺钉所承受的拉力为 k N,个螺钉总拉力为 k N.另外根据螺钉强度校核公式,可得出螺钉强度为 MP a,C r M o A材 质 的 螺 钉 许 用 强 度 为 MP a,可计算出安全系数为.因此螺钉强度满足实际使用要求.螺钉表面处理分析螺钉断裂的一个原因是氢脆现象,氢脆的特点是其断裂多数为穿晶或沿晶,断口具有冰糖块状特征,微观断口具有显微孔洞.采用电子扫描微镜对断口面扫描,如图所示.对电镜下的断裂形貌分析可知:其断口形貌具有明显的冰糖块特征,且故障发生时螺钉断裂部位均处于螺钉头根部,螺钉头根部形变大,根部倒圆角小,材料易形成应力集中,氢脆破坏首先会在这类结构处发生.图螺钉断面氢脆微观形貌对螺钉的断裂部位和扩展区进行断面电镜分析,电镜结果如图、图所示.由图、图可发现,电镜下的螺钉断面呈现冰糖块状态,符合高强度螺钉氢脆断裂特征.图螺钉断裂部位与扩展区电镜结果图螺钉断裂部位与扩展区电镜结果为进一步确定螺钉断裂的根本原因是氢脆导致,对断裂螺钉进行氢含量测定,其结果为 .综上所述,液压阀块安装螺钉断裂的根本原因是螺钉表面电镀锌处理导致螺钉根部出现氢脆.故障机理与措施 故障机理氢为钢铁中扩散速度最快的元素,其原子半径最小,在低温区仍有很强的扩散能力.钢铁冷却时若有足够的时间使氢逸出表面或钢中的氢含量较低时,则氢脆就不易发生.当钢铁冷却速度快、钢件断面尺寸比较大或钢中氢含量较高时,位于钢件中心部分的氢来不及逸出,过剩的氢将进入钢的一些缺陷中去,如枝晶间隙、气孔内.若缺陷附近由于氢的聚集产生强大的内压而导致微裂纹的萌生与扩展,从而就出现氢脆现象.本次断裂的螺钉是冷挤压成形,在加工过程中内部产生了大量位错,晶界有变形开裂现象.此次断裂安装螺钉的强度等级为 级,调质后的硬度偏高,内部仍旧存在大量缺陷,为氢的快速浸入与吸附集聚创造了有利条件.螺钉表面镀锌,在电镀过程中螺钉作为阴极,吸附溶液中的金属正离子,同时也会吸附水电离后生产的H离子,H离子很小,可以穿透金属原子间隙向金属内部侵入,从而最终导致螺钉氢脆断裂的发生.解决措施零部件氢脆断裂主要是由于其强度超标,若零部件的强度处于中等强度及以下,则可以明显减少氢脆现象的发生.因此从控制零部件氢脆敏感程度的层面出发,建议设计人员应控制零部件的材料强度,尽量减少 级高强度螺栓/螺钉的选用,过高强度的螺钉会增加其自身对氢的敏感程度.同时在工艺制造环节也要控制钢材的 碳含量,改进 工 艺 方 法,建 议 在()环境下恒温保持 h,然后在空气中自然冷却.另外,螺钉发黑处理是通过氧化反应在金属表面形成F eO氧化膜,此氧化膜疏松,非常利于氢原子扩散,氢脆风险非常低.为了最大程度地减少氢脆断裂问题的再次发生,须对液压阀块的安装螺钉进行更换,统一更换为经过发黑处理的螺钉.试验验证按照G B/T 紧固件机械性能检查氢脆用预载荷试验 平行支承面法 的要求,对个发黑的 级高强度螺钉进行平行支承法预载荷试验,试验情况如图所示.图发黑螺钉力矩加载验证试验结束后,这个螺栓在 Nm的力矩下未出现裂缝,表明发黑处理的高强度螺钉力学性能优于镀锌处理的同强度等级螺钉.结束语液压阀块安装螺钉断裂的根本原因在于高强度螺钉表面镀锌引发螺钉头根部出现氢脆现象.通过采用(下转第 页)机 械 工 程 与 自 动 化 年第期 kW,按市场电价 元/度计算,每天可为客户节约电费 元.按每年运行 h计算,一年节省电费 万元.结语采用HGV系列的单级透平真空泵,在广西某纸餐具厂替换原有的水环式真空泵,运行稳定,配套功率低,节能效果显著.根据不同工艺段的真空需求,该系列透平真空泵的真空度范围从 k P a到最高的 k P a,抽气量覆盖 m/m i n m/m i n.设备的可靠性高、节电节水效果好,受到客户的一致好评.参考文献:刘全祖,沈祖广,黄良,等纸浆模塑制品的研究现状与发展趋势J包装工程,():邱仁辉,黄祖泰,王克奇纸浆模塑餐具热压干燥过程的研究J农业工程学报,():陈首挺造纸真空系统中两种常见的真空发生设备 水环真空泵和透平风机的综合比较J湖南造纸,():刘一山透平真空泵及其在纸机真空系统中的应用J纸和造纸,():曹建武纸机真空系统的设计J中华纸业,():A p p l i c a t i o no fT u r b i n eV a c u u mP u m p i nP u l pM o l d i n gV a c u u mS y s t e mF A N GZ h i x i a n g,Y I NZ i r o n g,Z H A N GY a o x i n g,L IH a i q i a n g(H u n a nF i n eH i g hI n t e l l i g e n tE q u i p m e n tC o,L t d,Z h u z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:W i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nr e q u i r e m e n t s,i no r d e rt oa l l e v i a t et h ep o l l u t i o no ft h ee c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t c a u s e db yt h eu s eo fn o n d e g r a d a b l e t a b l e w a r e i nt h ep a s t,m a n yp a p e re n t e r p r i s e s i nC h i n ah a v e l a u n c h e do re x p a n d e dt h ep r o d u c t i o nc a p a c i t yo fp a p e rt a b l e w a r e I no r d e rt of u r t h e rs a v ee n e r g ya n dr e d u c ec o n s u m p t i o n,m o s tn e w o rr e c o n s t r u c t i o np r o j e c t sc h o o s et u r b i n ev a c u u m p u m pa st h ev a c u u m o b t a i n i n ge q u i p m e n t T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es y s t e mc o m p o s i t i o no f t h e t u r b i n e v a c u u mp u m p,a n a l y z e s t h eu n i q u ew o r k i n gc o n d i t i o n s o f t h ep u l pm o l d i n gv a c u u ms y s t e m,a n d i n t r o d u c e st h ec o m p a r i s o no f t h ev a c u u ms y s t e mb e f o r ea n da f t e r t h e t r a n s f o r m a t i o no f ap a p e rm o l df a c t o r ya n dt h er e s u l t sa c h i e v e d K e y w o r d s:p u l pm o l d i n gv a c u u ms y s t e m;t u r b i n ev a c u u mp u m p;a p p l i c a t i o n(上接第 页)同等强度等级的发黑螺钉进行载荷试验,表明发黑螺钉力学性能优于镀锌螺钉,最后更换了所有的安装螺钉,顺利解决了此问题.参考文献:贾晓娇,张晓斌大规格螺栓螺母拧紧力矩与预紧力关系研究J航天标准化,():李英亮紧固件概论M北京:国防工业出版社,王中峰,杨运岭,杨捷关于铝制液压阀组螺钉旋入深度及拧紧力矩问题研究J液压气动与密封,():刘白 C r M n S i A高强度钢氢脆断裂机理研究J机械工程材料,():张瑞,陈金存,沈宏航天产品氢脆失效模式防治常用原则及方法J航天制造技术,():A n a l y s i sa n dT r e a t m e n t o fH y d r o g e nE m b r i t t l e m e n tF r a c t u r eo fV e h i c l eM o u n t e dH y d r a u l i cV a l v eB l o c kS c r e w sZ H A N GA l i n g,T E N GD a,T A NJ i,F E N GH a i q i n g,F A NY u(H u b e i S a n j i a n gS p a c eW a n s h a nS p e c i a lV e h i c l eC o,L t d,X i a o g a n ,C h i n a)A b s t r a c t:I nv i e wo f t h e f r a c t u r e f a i l u r