大型快鍛液壓機管道緊固件斷裂原因分析

邵志奇 鄧 宏 張 春 耿亞琴 張浩冉 吳生博

新疆湘潤新材料科技有限公司 新疆哈密 839000

1 快鍛液壓機概述

在鍛造加工行業,快鍛液壓機已經成為一種主流的金屬鍛造加工鍛壓設備,工作原理為利用成組的高壓電機和泵將高壓油經閥及管道進行能量轉換傳遞,通過控制壓力、流量、方向進行循環,推動油缸柱塞帶動鍛壓錘頭往復運動,進行鍛造生產,從而實現金屬材料的塑性變形。在這一過程中,液壓管道起到輸送能源介質的作用,緊固件則負責連接和固定閥塊與管道的各個部件。

高溫金屬坯料鍛造生產工藝要求非常嚴格,對快鍛液壓機的性能要求非常高,對坯料的鍛壓頻次要求也很高。

在鍛造生產過程中,由于柱塞下壓與回程的往復運動速度較快,且頻次很高,使快鍛閥啟閉頻繁。在油缸柱塞停止或快鍛閥快速關閉打開時,液壓油迅速產生壓力能,瞬間壓力比正常壓力大幾倍,液壓油速度突然提高或降低,引起沖擊波及壓力波動,這就是液壓沖擊現象。系統中存在空氣或氣泡,進入高壓區時急劇破滅,產生氣穴現象,增大了液壓沖擊的程度。以上兩種現象會引起液壓系統中壓力和振動突然增大,從而對液壓管道和緊固件造成損害,導致緊固件斷裂問題出現。對大型快鍛液壓機管道緊固件斷裂原因進行分析,制訂改進措施,具有現實意義。

2 現場勘察

在某廠液壓機鍛造生產過程中,5 000 t大型快鍛液壓機液壓管道緊固件突然斷裂?，F場勘察表明,緊固件屬于疲勞斷裂。原因分析如下:① 閥塊與法蘭連接管道存在向上的變形現象,表明管道長期受到向上的沖擊力;② 法蘭與閥塊連接螺紋底孔和沉孔定位偏心,螺釘螺桿緊貼沉孔內壁,使螺桿長期受剪切力;③ 緊固件的制作采用滾壓成型,制作工藝粗糙,應力集中部位較多;④ 雙頭螺柱斷裂部位集中在螺紋根部,螺釘斷裂部位在螺紋根部和杯頭位置;⑤ 現場安裝人員緊固時,使用加力桿加四五個人的力量進行緊固,緊固力量過大。

3 緊固件斷裂影響機理

液壓沖擊對緊固件斷裂的影響機理主要包括三個方面。第一,沖擊波會產生巨大力量,超過緊固件所能承受的極限,導致斷裂。第二,沖擊波會引起振動和共振現象,在長時間使用后逐漸疲勞,并且導致斷裂。第三,沖擊波會造成局部應力集中,使緊固件易于出現應力集中點而斷裂。

4 液壓沖擊影響

液壓沖擊會對液壓管道和緊固件造成巨大壓力與振動,進而導致緊固件斷裂。當液壓管道緊固件斷裂時,會導致設備停機,造成生產中斷。由此,設備停機時間增加,生產效率受到影響,導致生產計劃延誤,訂單無法按時交付,進而影響企業的盈利能力和市場競爭力?？戾懸簤簷C往往進行高溫合金鍛造,如果液壓機頂部液壓管道緊固件斷裂,液壓系統的高壓油會迅速泄漏,且液壓油噴成霧狀,液壓油落到高溫金屬坯料后,會立即造成大面積火災,并造成人員傷害和設備事故。由于設備停機和生產中斷,企業將面臨額外的維修費用、訂單等經濟損失。

5 內在原因

經研究分析,液壓沖擊是造成液壓管道緊固件斷裂的主要內在原因。液壓沖擊會產生突然增大或減小的壓力波動,對液壓管道緊固件施加沖擊力。這種沖擊力會導致緊固件承受巨大的載荷,使緊固件處于高應力狀態。載荷幅值過大,超過材料的疲勞極限,疲勞損傷就會加速發展,導致斷裂。液壓沖擊除了產生沖擊力,還會由于氣穴現象,加劇系統內部產生的振動現象。這種振動會通過管道傳遞到緊固件上,進一步增大緊固件所受到的應力和負荷。長期循環頻繁的沖擊載荷和振動還會導致材料疲勞,導致緊固件材料內部應力集中和微小裂紋形成,材料內部的微小裂紋逐漸擴展。當振動或沖擊負載的頻率和幅度超過緊固件所能承受的極限后,會導致緊固件斷裂,使緊固件逐漸失去強度和穩定性。若液壓系統局部管道設計不當,會提高液壓沖擊和振動的程度,進而加劇緊固件的損傷。在高溫鍛造環境下,溫度變化會引起材料的熱脹冷縮,導致緊固件受到額外的應力和變形。

6 外在原因

(1) 過度緊固。緊固件過度緊固導致應力集中,過度緊固指對緊固件施加的預緊力超過設計要求的情況。當緊固件過度緊固時,會導致應力在局部區域集中,這種應力集中可能會導致螺釘或螺柱斷裂。

(2) 松動。緊固件松動指由于松弛或不正確的安裝而導致緊固件失去預壓力。當緊固件松動時,會引起管道系統的振動和共振效應。這種振動和共振效應可能會增大緊固件受到的載荷,并進一步損壞緊固件及其連接部件。

(3) 不合理的裝配力或裝配不當,如裝配時沉孔錯位。緊固件在裝配過程中,如果裝配力不均勻或過度施加預壓力,會引入額外的應力集中,導致斷裂。如裝配時沉孔錯位,會使螺釘承受剪切力,導致斷裂。

(4) 緊固件材料表面缺陷,材料強度不足。緊固件所承受的載荷超過材料自身的強度極限,會導致斷裂。緊固件在制造過程中,存在材料質量不合格或摻雜雜質的情況,導致強度和韌性降低 ,并增加斷裂的風險。緊固件表面的缺陷、裂紋、劃痕可能成為疲勞損傷的起始點,加速疲勞破壞的發展。

(5) 材料脆化。在長期高溫條件下,尤其在高溫鍛造過程中,在熱傳導下緊固件材料可能會產生脆化現象,即材料韌性降低,易于斷裂。

(6) 設計缺陷造成的應力集中。由于不合理的緊固件結構設計,如螺紋根部沒有設計倒棱圓角,導致產生應力集中,對應區域的應力值遠高于其它區域。這樣的應力集中會降低緊固件的強度,可能導致斷裂。

7 斷口理論分析

緊固件斷口形狀如圖1所示,對緊固件斷口進行理論分析。

圖1 緊固件斷口形狀

7.1 斷口形狀分析

緊固件常見的斷口形狀包括平面斷口、傾斜斷口、韌窩斷口等。平面斷口多見于緊固件受到大應力或腐蝕作用導致的斷裂,傾斜斷口常見于緊固件的疲勞斷裂,韌窩斷口則是由于緊固件受到沖擊或大應力作用下韌性破壞而產生。通過對斷口形狀的分析,可以初步判斷緊固件斷裂的原因。例如,平面斷口可能暗示雙頭螺柱、螺釘受到過大的力或應力集中,傾斜斷口可能表明緊固件存在疲勞壽命問題。

7.2 斷口位置分析

常見的斷口位置包括螺紋部分、頭部、螺釘體等。在分析斷口位置時,需要結合緊固件的設計特點、應力分布、載荷情況進行綜合考慮。斷口位置的分析可以幫助確定雙頭螺柱、螺釘斷裂的原因。例如,如果斷口位置集中在螺紋部分,可能暗示雙頭螺柱、螺釘的螺紋設計存在問題;如果斷口位置在頭部,可能表明螺釘在承受載荷時頭部承受了過大的應力。

7.3 斷面形貌分析

斷面形貌分析指對螺釘等緊固件斷口的斷面形貌進行觀察和測量,斷面形貌分析包括斷面形貌、晶粒結構、裂紋形態等方面的觀察和測量。斷面形貌可以提供關于螺釘等緊固件斷裂方式和斷裂特征的信息,晶粒結構和裂紋形態則可以幫助對緊固件破壞機制的分析。通過斷面形貌分析,可以推斷螺釘等緊固件斷裂的原因。例如,斷面上的晶粒結構異常、明顯的裂紋形態或夾雜物等,都可能指示雙頭螺柱、螺釘材料的缺陷或質量問題,并導致斷裂。斷面形貌分析還可以結合斷口形狀和位置分析,從而更準確地確定緊固件的斷裂原因。例如,如果斷口形狀為韌窩斷口,斷面上出現明顯的疲勞裂紋,斷口位置集中在螺紋根部等應力集中區域,那么可能意味著雙頭螺柱、螺釘存在疲勞壽命不足的問題。

8 斷裂原因確定

通過對5 000 t快鍛液壓機主側缸與集成塊連接法蘭雙頭螺柱和管道連接螺釘斷裂的現場勘察分析,結合緊固件斷裂的內在及外在原因,綜合斷口形狀、位置分析和斷面形貌分析,緊固件斷裂的主要原因為疲勞斷裂。液壓沖擊和氣穴現象等造成的壓力沖擊波與振動是緊固件產生疲勞的主要因素,在頻繁的液壓沖擊下,造成緊固件過載或應力集中、疲勞損傷。

材料的質量及機構設計不達標是造成緊固件斷裂的次要原因。

9 改進措施

9.1 外在原因改進措施

根據具體應用需求,應選擇符合要求的緊固件材料。這些材料應具有較高的抗疲勞強度和耐久性。經過計算,確定緊固件采用42CrMo材料進行制作,并且進行嚴格的材料檢測、制作、評估,以確保緊固件材料的質量可控和穩定。評估并確定緊固件的工作載荷范圍,在設計階段,分別構建力學分析和有限元分析模型,進行充分載荷分析,了解緊固件所承受的最大工作載荷,進行合理的載荷計算和設計,確保緊固件受力均勻,避免應力集中,確保在使用過程中不超過載荷承受能力。合理設計結構及螺紋配合,避免應力集中現象的產生。如螺紋根部應設計合適的倒角半徑,消除此位置應力集中。在設計過程中,使用SolidWorks有限元分析軟件,進行應力、位移、變形的模擬和評估。設計合理的螺紋裝配間隙,加裝定位孔等,避免緊固件受剪切力。根據預計的工作環境和載荷特點,對緊固件進行疲勞壽命分析和評估。確定緊固件在工作條件下的壽命,預測疲勞性能和壽命消耗情況,進行定期的緊固件檢查和維護。特別是在經歷長期液壓沖擊產生的高載荷和循環載荷后,定期檢查緊固件是否存在疲勞裂紋。如發現應及時更換緊固件,避免因疲勞損傷引起斷裂。

9.2 內在原因改進措施

加強振動和沖擊的控制,優化液壓系統設計,合理安排管道和閥門的位置與布局,使液體流動更加平穩,以減小液壓沖擊的產生,并減少突然變化的壓力波動。加裝減振器、隔振墊,如在液壓管道接口加裝軟連接閥門,管道支撐加裝使用緩沖材料減振墊等,用于吸收和分散振動能量,降低緊固件受到的振動載荷。在局部位置安裝緩沖閥,調節流體流速和壓力變化,在液壓系統中起到緩沖作用,減小突然增大或減小的壓力波動,從而降低緊固件受到的沖擊載荷,這有助于降低緊固件斷裂風險,并提高系統的穩定性。制訂一套明確規范的緊固件裝配和擰緊作業指導書,明確緊固件的安裝規程,詳細描述緊固件的裝配步驟、預緊力標準要求、使用工具和設備,這有助于規范操作人員的行為,確保裝配過程的一致性和可控性。對操作人員提供必要的培訓和指導,明確操作人員正確的裝配技術和注意事項。定期檢查和維護液壓系統緊固件狀態、預壓力,以及系統運行情況,并根據需要進行調整或更換。

9.3 改進措施效果

在實際生產中,實施改進措施,并且監測和評估效果。對液壓系統中緊固件的斷裂情況進行統計分析,記錄每個緊固件的型號、安裝位置、使用時間、斷裂原因等信息。通過安裝減振裝置,優化液壓系統設計,加裝緩沖閥,優化緊固件設計,制訂合理的安裝維護規程等,成功降低了緊固件所承受的載荷,并降低了斷裂風險,提高了緊固件的受力均勻性和穩定性。通過改進措施,降低故障和損壞的風險,提高整個液壓系統的性能和可靠性。同時還可以提高生產效率和產品質量,降低維護成本,縮短生產停機時間。

10 結束語

筆者通過大型快鍛液壓機管道緊固件斷裂原因分析,加強對振動和沖擊的控制,改善材料選用,制訂合理的安裝維護作業指導書,進行工藝改進等,成功提高了液壓系統中緊固件的可靠性,延長了使用壽命。通過統計分析液壓系統中緊固件斷裂情況,評估改進措施效果,驗證了改進措施的可行性和有效性。未來可以進一步深入研究液壓系統中緊固件相關問題,結合先進的技術手段,如開發智能化監測與管理系統,提高液壓系統運行效率和安全性。

通過實際生產實踐中的反饋和經驗總結,不斷改進方案,并與相關行業分享經驗與成果,可以推動液壓領域技術進步,并為行業提供更加穩定可靠的液壓解決方案。