技术立磨液压缸杆头断裂原因分析及改进

引言

立磨作为一种新型、高效、节能的粉磨设备，已是目前水泥工业中的主流设备，该设备主要有工艺流程简单、占地面积小、操作维修便捷、运行能耗低等特点。液压缸是立磨磨辊研磨压力的传导部件，不仅要受到液压系统提供的静压力，还经常受到因立磨料层不稳定带来的瞬间冲击。油缸杆头则是油缸设计环节中受力较为薄弱的部分，其结构的合理性和加工质量的好坏直接关系到油缸使用的安全性，从而影响立磨的正常使用。HRM43.4Y立磨作为水泥预粉磨设备时，设计压力在生料立磨的1.5倍以上，所以对液压缸的性能和质量要求更高。宁夏某水泥公司采用HRM43.4Y立磨作预粉磨与ф3.8m×13m球磨机组成半终粉磨系统，粉磨P·O42.5水泥，系统产量≥t/h，系统电耗≤27kWh/t。立磨运行三个月后液压缸杆头多次发生了断裂，经过一系列的优化改进后得到有效解决。

1.1液压缸受力分析

液压缸杆头是连接液压缸活塞杆和传动臂的关键部件，并将液压系统的拉力传递给磨辊，并最终产生研磨压力，液压缸受力情况如图1所示。

图1液压缸受力情况

液压缸规格型号：ф/-×mm。

技术参数：缸径mm；杆径：mm；行程：mm；最大拉力：16MPa；试验拉力：20MPa。

活塞杆、杆头和连接组件材料均为42CrMo，正常工作拉力为12MPa，杆腔有效面积：

A=[3.14×(2-2)]\4=mm2

液压缸工作拉力：F=P·A=12×=MPa

杆头最小处直径：d=mm

杆头最小截面处的拉应力：

σ=4F/πd2=(4×)/3.14×2=49.63MPa

杆头材料的许用拉应力：[σ]=MPa(按5倍安全系数)。

由此可见，杆头最小截面处的拉应力远远小于杆头材料的许用拉应力，杆头发生断裂不单纯是拉应力作用所致。液压缸及摇臂结构实际工作状态如图1所示，磨辊碾压物料上下起伏致使液压缸活塞杆随之不断伸缩，此时，杆头以摇臂轴为圆心沿弧线左右摆动，即杆头杆端亦承受剪切力作用。且剪切力的大小随液压缸摆动幅度及频率不断变化。由此剪切力产生的交变应力作用是导致拉杆断裂的主要因素。在交变应力的作用下，杆头所受应力虽然小于材料的静强度极限，但经过应力的多次重复后，将会产生可见裂纹或断裂，即疲劳破坏。

1.2断裂截面分析

断裂杆头宏观形貌如图2所示，断口上通常呈现两个区域，一个是光滑区域，另一个是粗粒状区域。其断裂源区表面平坦，裂纹扩展区可以清楚地看到贝纹线。贝纹线是由机械在交变载荷作用下在断口表面留下的塑性变形痕迹，贝纹线的出现从宏观上证明了该活杆头属于疲劳断裂。图2中A指示是疲劳源区，B为疲劳扩展区，C为失稳扩展区和瞬断区，D为剪切唇区。在C区和D区分别出现了放射状条纹和剪切唇，这是由于在较大尺寸的韧性材料构件（如压力容器的器壁或者轴类传动构件）中，当疲劳断裂方式转变到一次性断裂的瞬断阶段时，应力从平面应变状态过渡到平面应力状态，其瞬断区断口形貌呈现放射状条纹，最后分离部分显现出剪切唇形貌特征。

图2液压缸杆头断裂情况

1.3化学成分分析

利用线切割在断裂杆头截面取样，制成化学成分分析试样，利用直读光谱仪对断裂杆头进行化学成分分析，其结果见表1。可以看出，其各项成分均满足JB-《大型合金结构钢锻件技术条件》的要求。

以上检验结果表明杆头化学成分合格，符合JB-标准的规定。

1.4力学性能分析

油缸杆头材质为42CrMo合金结构钢，42CrMo钢材属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。杆头截面尺寸mm，调质处理(℃淬火2h，℃回火3.5h)，对照JB/T-标准进行测试，结果如表2所示，硬度测试见图3。

表2杆头力学性能

图3杆头硬度测试

以上检验结果表明杆头抗拉强度、屈服强度、硬度及断后伸长率均合格，但冲击功低于JB/T-标准，说明杆头断裂与设备不稳定运行时瞬间冲击关系较大。

1.5金相组织分析

利用线切割在断口裂源处沿活油缸杆头心部径向取样(如图4所示)进行磨抛，采用金相显微镜AXIOimager.A1m，按照GB/T-15金相组织进行检测，检测结果如图5所示。根据油缸杆头调质处理条件，杆头的显微组织应该为回火索氏体。但从图5可以看出，油缸杆头组织为针状铁素体，铁素体呈魏氏体组织分部，未发现马氏体和回火索氏体，从而说明其调质处理不符合要求。

图4样品图片

图5杆头显微组织

2.1调整热处理工艺

从上述分析可知，活塞杆的化学成分及表面硬度符合要求，而其显微组织不符合要求。油缸杆头采用调质处理后，其心部组织应为细小、均匀的回火索氏体，具有较好的综合力学性能，从而能满足杆头的使用要求。网状、半网状铁索体组织的硬度值较低，疲劳极限也较低，加上微裂纹的存在，使该部位存在一定程度的应力集中，降低了杆头的疲劳强度，成为潜在的裂纹源。在外加载荷的作用下，裂纹源形成并逐步扩展直至断裂。通过调整热处理工艺，采用水淬油冷的方法进行调质处理，淬火液采用水，回火采用高温回火既能获得较强屈服的同时又能保证其韧性。另外，根据液压缸实际的工况及重要程度，按照GBT-要求，锻件级别采用I类标准。

2.2油缸杆头结构改进

采用有限元对油缸杆头进行应力分析，颈部断裂处应力为90～MPa，通过优化设计，增大颈R角，应力为71～81MPa，明显减小，如图6所示。

图6改进前后应力云图对比

2.3改善立磨运行工况

因本项目属于改造工程，空间受限，未设置进料缓冲仓，加之配料系统均为利旧设备，配料秤复杂繁多，设备老旧，计量不准，经常跳停，进料不稳定导致立磨运行振动较大。通过对进料系统进行改造，保证物料计量的准确性；立磨进料端增加稳流仓，保证了进入立磨物料的稳定性。并在再生产过程中合理控制磨辊压力，有效地降低磨机振幅，使磨辊和液压缸在相对静压状态下工作，大幅降低了因物料不稳定导致液压缸工作时的瞬间冲击值。

立磨运行工况复杂，液压缸在传递拉力时，杆头受到反复的交变应力；材料调质处理不合格，金相组织中存在大量网状铁素体，使得材料性能很差，在应力集中的根部易形成裂纹是杆头断裂的主要原因。通过改进热处理工艺、优化杆头结构、改善设备运行工况等措施，根本上解决了此问题，保证了设备的高效运行。

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