針對(duì)鑄鋼件連接頭斷裂機(jī)理改進(jìn)措施的論文
摘要：針對(duì)礦用液壓支架連接頭使用不久斷裂的問(wèn)題，對(duì)連接頭進(jìn)行了各種理化分析并且在與同種類(lèi)型產(chǎn)品的相互比較下，找出連接頭斷裂的原因，并結(jié)合分析結(jié)果，提出連接頭在熱處理工藝和設(shè)計(jì)方面的優(yōu)化措施，以此改善連接頭性能，降低失效率。改進(jìn)后的連接件，經(jīng)過(guò)使用反饋，確定其能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的工作需求，應(yīng)用前景良好。
關(guān)鍵詞：連接頭;斷裂機(jī)理;液壓支架
1.概述
鑄造業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分，是關(guān)系國(guó)民生計(jì)的重要行業(yè)。鑄造技術(shù)在石化、電力、造船、鋼鐵、汽車(chē)裝備制造、紡織等支柱產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用廣泛。我國(guó)在鑄造技術(shù)領(lǐng)域的研究不斷趨近國(guó)際先進(jìn)水平，但轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的少，行業(yè)整體技術(shù)水平落后[1]。礦用液壓支架用鑄鋼件連接頭，連接了液壓支架與刮板運(yùn)輸機(jī)，是推溜和拉架是主要受力部件[2-3]。以伊泰寶山液壓支架為例，使用一段時(shí)間后，斷裂連接頭的比率高達(dá)44.4%，給安全生產(chǎn)帶來(lái)了極大的隱患。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)連接頭的斷裂原因作過(guò)相應(yīng)的分析，郝玲[4]用三維建模和有限元軟件對(duì)液壓支架連接頭進(jìn)行分析，確定應(yīng)力和應(yīng)變的變化狀況，在特種工況下從結(jié)構(gòu)上對(duì)連接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)。湯國(guó)強(qiáng)[5]從化學(xué)成分上分析連接頭的斷裂原因，提出淬火后延長(zhǎng)保溫時(shí)間的工藝措施。李曉霞[6]針對(duì)連接頭鑄造裂紋產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究，并對(duì)熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，效果良好。為保證安全生產(chǎn)，在對(duì)斷裂連接頭進(jìn)行對(duì)比、檢測(cè)的基礎(chǔ)上，找到連接接頭斷裂的原因，從而適當(dāng)調(diào)整熱處理工藝、優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免連接頭斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。
2.斷裂連接頭分析
2.1化學(xué)成分組成
鋼液品質(zhì)方面，在現(xiàn)有設(shè)備下進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。檢測(cè)樣品為原材料經(jīng)過(guò)分揀、爐前經(jīng)過(guò)檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)溶液試樣，檢測(cè)設(shè)備為直讀光譜儀。按照GB/T-1987《冶金產(chǎn)品化學(xué)分析方法標(biāo)準(zhǔn)的總則及一般規(guī)定》對(duì)其進(jìn)行材質(zhì)分析，結(jié)果顯示成分合格，因此認(rèn)為鋼液品質(zhì)并非造成連接頭斷裂的'主要因素。化驗(yàn)成分如表1所示：
2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性對(duì)比
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性方面，通過(guò)與同一采面S公司生產(chǎn)的同一類(lèi)型產(chǎn)品自行對(duì)比以及和文獻(xiàn)液壓支架連接鑄造熱裂紋缺陷的研究[5]的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)相似或相同，結(jié)合平煤機(jī)連接頭斷裂率較低的事實(shí)，確認(rèn)其并非造成連接頭斷裂高的主要因素。
2.3鑄造缺陷
為驗(yàn)證是否是鑄造缺陷造成連接頭斷裂率高的因素，對(duì)斷裂最明顯的蒙泰支架連接頭進(jìn)行斷面分析和金相檢測(cè)，斷面分析未發(fā)現(xiàn)明顯的夾渣、氣孔、疏松等鑄造缺陷。金相檢測(cè)中，也未發(fā)現(xiàn)明顯鑄造缺陷，如平煤機(jī)斷裂連接頭的金相結(jié)果圖1所示，因此確認(rèn)其并非造成連接頭斷裂率高的主要因素。
2.4金相組織檢測(cè)
該檢測(cè)按照《金屬纖維組織檢測(cè)方法》，檢測(cè)顯示，平煤機(jī)連接頭達(dá)到2級(jí)，金相結(jié)果如圖1所示。三一重工公司該類(lèi)型連接頭晶粒度5級(jí)，如圖2所示，結(jié)合機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)中平煤機(jī)連接頭試樣延伸率和沖擊功遠(yuǎn)低于三一重工公司連接頭試樣分析，是由于正火不充分心部粗大晶粒沒(méi)有得到細(xì)化，導(dǎo)致晶粒粗大及混晶組織，在調(diào)制處理中發(fā)生晶粒的遺傳效應(yīng)，繼承了晶粒粗大的缺陷，造成材料韌性低、脆性大。正火不充分是造成連接頭斷裂率高的主要原因。
2.5強(qiáng)度試驗(yàn)
取斷裂連接頭單邊耳板為取樣基體，拉伸試樣和彎曲試樣采用機(jī)械加工方法獲得，相比用火割方法獲得的試樣，機(jī)械加工方法避免了熱影響區(qū)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加真實(shí)可靠。拉伸試樣有效段直徑10mm，原始標(biāo)距50mm。沖擊試樣加工成10mm×10mm×55mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，缺口V型。表2、3、4和5分別為平煤機(jī)連接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果、平煤機(jī)連接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果、S公司連接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果和S公司連接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果。將表2、3和表4、5的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)三一重工生產(chǎn)的連接頭與平煤機(jī)生產(chǎn)的連接頭抗拉強(qiáng)度區(qū)別不大，但是，連接頭沖擊功要比平煤機(jī)的高，而且數(shù)值較為均勻，說(shuō)明S公司連接頭心部和表面綜合性能比較均勻已差別不大。平煤機(jī)生產(chǎn)的連接頭沖擊功低的主要原因是正火不充分，造成晶粒粗大，在調(diào)制過(guò)程中發(fā)生晶體的遺傳效應(yīng)。
2.6硬度檢測(cè)
在調(diào)質(zhì)工藝合理性方面：分別查閱了ZG30Cr06和ZG28NiCrMo兩種材質(zhì)連接頭生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的熱處理工藝卡片，并與工藝部存放ZG30Cr06和ZG28NiCrMo熱處理工藝驗(yàn)證報(bào)告進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)工藝卡片要求技術(shù)參數(shù)與報(bào)告推薦參數(shù)一致，因此確認(rèn)所采用調(diào)質(zhì)工藝是合適的;現(xiàn)場(chǎng)操作方面查閱了兩種材料連接頭生產(chǎn)的圓盤(pán)記錄紙和當(dāng)班檢測(cè)記錄，記錄顯示的保溫溫度和時(shí)間與工藝要求相吻合，檢測(cè)記錄中顯示的淬火硬度在要求范圍內(nèi)，且操作因素屬于偶發(fā)性因素，故認(rèn)為該因素不是造成連接頭整體斷裂率高的主要原因。調(diào)制后硬度要求HBW240～280，在斷裂連接頭靠近斷裂位置正面和側(cè)面各抽3個(gè)點(diǎn)復(fù)查硬度指標(biāo)，結(jié)果如表6所示，其中1～3是連接頭正面硬度檢測(cè)值，4～6是連接頭側(cè)面硬度檢測(cè)值.
2.7使用不當(dāng)驗(yàn)證
用戶(hù)使用方面，據(jù)售后服務(wù)部人員介紹，每批支架下井前均對(duì)使用人員進(jìn)行了支架的使用說(shuō)明培訓(xùn)，S公司支架與平頂山煤礦機(jī)械有限公司支架在同一采面，而S公司支架所用連接頭斷裂率明顯較低，故判定該因素不是要因。通過(guò)對(duì)比和實(shí)驗(yàn)的方法，最終確定是由于正火保溫時(shí)間不足，造成連接頭心部未完全奧氏體化，晶粒粗大，應(yīng)力集中，為斷裂連接的主要原因，但是其他非主導(dǎo)性因素也不應(yīng)當(dāng)被忽視，應(yīng)使斷裂率降到最低。
3.改進(jìn)措施
針對(duì)正火不充分，導(dǎo)致晶粒粗大以及存在混晶組織和實(shí)際的應(yīng)用條件造成鑄鋼連接頭斷裂率高的問(wèn)題，提出以下改進(jìn)措施。(1)鑄件在正火加熱時(shí)，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，使心部完全奧氏體化，并減少每次的裝爐活件量，確保不相互堆積、遮蓋，以保證調(diào)制后各成分均勻[7]。(2)從設(shè)計(jì)角度看，加大連接頭根部厚度，加大內(nèi)部外部弧度，這樣可以提高連接頭應(yīng)力集中處的強(qiáng)度。連接銷(xiāo)軸加設(shè)應(yīng)力槽，這樣在連接頭受力較大時(shí)，銷(xiāo)軸先斷，可以有效的保護(hù)連接頭，相比連接頭而言，銷(xiāo)軸的加工成本低，更換方便，維修時(shí)間短，是保護(hù)連接頭的一種有效的措施。(3)冶煉時(shí)嚴(yán)格控制化學(xué)成分，是脆性增加的碳和雜質(zhì)的含量得到嚴(yán)格控制[8]。(4)提高冶煉質(zhì)量，減少成分偏析。(5)由于連接頭在工作時(shí)受到的力較為復(fù)雜，在制造過(guò)程中，可以適當(dāng)采用機(jī)械性能好及淬透性高的材料，以適應(yīng)現(xiàn)實(shí)的實(shí)際條件。采用優(yōu)化后的設(shè)計(jì)圖紙和正火工藝加工了50件送到伊泰寶山礦，一個(gè)月后從售后反饋情況看，使用狀況良好，未出現(xiàn)連接頭批量斷裂現(xiàn)象。
4.結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)連接頭分析和對(duì)比，查明了礦用液壓支架連接頭斷裂的主要原因，并嚴(yán)格控制熱處理溫度和保溫時(shí)間。對(duì)每件活件均進(jìn)行超聲波探傷，以確保內(nèi)部無(wú)缺陷。從設(shè)計(jì)角度改進(jìn)，使連接頭達(dá)到最佳使用狀態(tài)。
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