履帶行走系統(tǒng)支撐失效分析

朱洪睿，何明虎，宋宗華，沙洪偉，韓松

（徐工道路機(jī)械事業(yè)部，江蘇 徐州 221004）

履帶是工程機(jī)械最常用的行走系統(tǒng)，整機(jī)的升降采用油缸驅(qū)動(dòng)內(nèi)外圓筒摩擦副來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)固定在車架上的工作裝置的升降，這種設(shè)計(jì)常用在大型機(jī)械式就地冷再生機(jī)和大型機(jī)械式銑刨機(jī)上［1］。履帶行走系統(tǒng)作為工程機(jī)械核心部件，其可靠性直接影響整機(jī)的工作效率，因其服役環(huán)境惡劣、腐蝕性強(qiáng)、灰塵大等特點(diǎn)，常會(huì)造成行走系統(tǒng)失效，影響工程的施工進(jìn)度。本文借助某一履帶行走系統(tǒng)失效特征，從熱處理和機(jī)加工工藝出發(fā)，提出失效的解決方案。

1 故障分析

履帶外筒：材質(zhì)為45鋼，要求調(diào)質(zhì)處理，硬度200～229HB；

履帶內(nèi)筒：材質(zhì)為27SiMn鋼，要求調(diào)質(zhì)后表面氮化，層深0.2～0.3mm，硬度55～60HRC。

圖1 履帶內(nèi)筒失效形式

圖2 履帶外筒失效形式

在使用中，銑刨機(jī)支腿內(nèi)筒和外筒之間頻繁相對(duì)運(yùn)動(dòng)，牽引力通過支腿驅(qū)動(dòng)整機(jī)前進(jìn)，所以支腿受力較大，可能出現(xiàn)劃傷，如圖1-2所示。嚴(yán)重時(shí)內(nèi)筒和外筒粘合在一起，即“燒死”，無法拆卸，必須返廠維修，經(jīng)濟(jì)損失很大。

根據(jù)觀察到的履帶內(nèi)外筒故障的磨損表面形貌，可以確認(rèn)內(nèi)外筒表面發(fā)生了粘著磨損。其過程是：在接觸載荷的作用下，內(nèi)外筒表面接觸點(diǎn)處發(fā)生塑性變形或剪切，使接觸點(diǎn)產(chǎn)生粘著（即冷焊合）。在相對(duì)滑動(dòng)的作用下，粘著點(diǎn)被剪斷，然后出現(xiàn)粘著—剪斷—再粘著—再剪斷的循環(huán)過程。根據(jù)磨損形貌觀察，內(nèi)外筒粘著磨損的形式有：

（1）涂抹（Smearing）。在粘著強(qiáng)度大于外筒材料強(qiáng)度時(shí)，剪切發(fā)生在距離粘著面不遠(yuǎn)的外筒（軟）金屬的淺層內(nèi)，使外筒（軟）金屬涂抹在內(nèi)筒（硬）金屬表面上；

（2）擦傷（Scoring）。轉(zhuǎn)移到內(nèi)筒硬表面上的粘著物又刮削外筒軟金屬表面，產(chǎn)生擦傷；

（3）咬合（Scuff i ng）。內(nèi)外筒粘著表面沿著滑動(dòng)方向出現(xiàn)明顯的撕脫，產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損。隨著滑動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行，粘著范圍很快增大，摩擦產(chǎn)生的熱量使表面溫度急劇升高，出現(xiàn)局部熔焊，使內(nèi)外筒咬死不能相對(duì)滑動(dòng)。

結(jié)論：支腿故障是由于外筒材質(zhì)的強(qiáng)度、硬度偏低，許用接觸應(yīng)力低于實(shí)際接觸應(yīng)力；內(nèi)筒氮化層太薄，芯部硬度偏低導(dǎo)致許用接觸壓力降低，產(chǎn)生了嚴(yán)重的粘著磨損所致。

2 支腿故障的技術(shù)解決方案

2.1 外筒技術(shù)解決方案

根據(jù)故障原因的分析，技術(shù)解決方案應(yīng)該考慮解決如下問題：

（1）更換外筒材料。

支腿外筒原材質(zhì)為45鋼，經(jīng)微觀金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，組織中有沿晶界析出的先共析鐵素體，說明45鋼淬火時(shí)的冷卻速度不足，故應(yīng)更換淬透性更高的合金調(diào)質(zhì)鋼；考慮到抑制高溫回火脆性，鋼中應(yīng)含有適量的Mo；考慮到外筒需要進(jìn)行焊接，應(yīng)適當(dāng)降低合金調(diào)質(zhì)鋼的含碳量。45鋼與幾種常用的合金調(diào)質(zhì)鋼的焊接性（用碳當(dāng)量表示）見表1，其中碳當(dāng)量=C+Mn/6+（Cr+Mo）/5。

表1 幾種鋼的碳當(dāng)量

從表1中可以看出，42CrMo鋼碳當(dāng)量最高，焊接性最差；40Cr鋼次之；30CrMnSi鋼碳當(dāng)量最低，焊接性也最好，但該鋼不含Mo，不利于抑制高溫回火脆性；35CrMo鋼的碳當(dāng)量比42CrMo鋼、40Cr鋼要低，略高于30CrMnSi鋼，故可以選用35CrMo鋼替代45鋼作為外筒材料。

（2）提高外筒的屈服強(qiáng)度或硬度。

根據(jù)粘著磨損理論，粘著磨損量Q，即磨損率為

式中：K為粘著磨損系數(shù)，W為載荷；H為硬度（HB）。

該式說明粘著磨損的體積與較軟金屬材料的屈服強(qiáng)度（或硬度）成反比，硬度越高，磨損體積（即磨損量）越低。

考慮到內(nèi)外筒組成的摩擦副之間應(yīng)該有一個(gè)硬度上的差別，所以選擇將硬度從200～230HB提高到320～360HB。該硬度下的許用接觸應(yīng)力為：850～910MPa＞790MPa（經(jīng)計(jì)算得到的實(shí)際接觸應(yīng)力）。新方案與原有外筒材料硬度與許用接觸應(yīng)力對(duì)比見表2。

表2 材料硬度與許用接觸應(yīng)力對(duì)比表

（3）外筒制造工藝改進(jìn)。

原支腿外筒的制造工藝為：下料→機(jī)加工→調(diào)質(zhì)熱處理→焊接底座和封頭→精加工（鏜內(nèi)孔等）。原工藝存在的問題是：焊接底座時(shí)，容易導(dǎo)致外筒下端口處（即焊縫附近）二次回火，如此處溫度高于調(diào)質(zhì)時(shí)的回火溫度，則會(huì)降低強(qiáng)度和硬度。

圖3 淬火入池方向

改進(jìn)的工藝方案為：下料→機(jī)加工→焊接底座和封頭→調(diào)質(zhì)熱處理→精加工（鏜內(nèi)孔等）。在淬火冷卻過程中，外筒應(yīng)按照?qǐng)D3所示的方向，即底座在下封頭在上，淬入冷卻介質(zhì)當(dāng)中。

（4）35CrMo鋼的熱處理工藝。

35CrMo鋼的技術(shù)參數(shù)如下：AC1點(diǎn)750℃、AC3點(diǎn)800℃；35CrMo鋼在850℃加熱，油淬（試樣毛坯尺寸25mm），550℃回火后，抗拉強(qiáng)度σb≥980MPa，屈服強(qiáng)度σs≥835MPa，延伸率δ5≥12%，沖擊韌性AKU≥63J，硬度31.5HRC（294HB）。

根據(jù)上述技術(shù)參數(shù)，確定本方案中35CrMo鋼的熱處理工藝規(guī)范見表3。

2.2 內(nèi)筒技術(shù)解決方案

（1）更換內(nèi)筒材料。

內(nèi)筒原材質(zhì)為27SiMn鋼，下部需要焊接法蘭?？紤]到淬透性要好，表面感應(yīng)淬火的硬度要高，同時(shí)兼顧焊接性，故選擇40Cr鋼作為內(nèi)筒材料。40Cr鋼的碳當(dāng)量（0.70）略高于35CrMo鋼碳當(dāng)量（0.68）。

表3 35CrMo鋼的熱處理工藝規(guī)范

（2）內(nèi)筒表面硬度和芯部硬度的確定。

①內(nèi)筒表面硬度。根據(jù)資料介紹，嚙合齒面的硬度配對(duì)關(guān)系直接影響齒面的接觸疲勞強(qiáng)度。因此一對(duì)相互嚙合的齒面必須有硬度差，即小齒輪齒面硬度應(yīng)高于大齒輪齒面硬度。在斜齒輪傳動(dòng)中，小齒輪齒面硬度（HB）應(yīng)大于大齒輪齒面硬度（HB）的1.4倍及以上。若按1.4倍計(jì)算，340HB×1.4 = 476HB（接近50HRC）。

內(nèi)筒表面硬度選為：50～54HRC，該硬度下的許用接觸應(yīng)力為1100～1150MPa＞790MPa（實(shí)際接觸應(yīng)力）。

②內(nèi)筒芯部硬度。參考齒輪傳動(dòng)中，“在齒面硬度相同的情況下，提高輪齒芯部硬度，可以顯著提高齒面的許用接觸應(yīng)力”。根據(jù)英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，芯部硬度從200HB增加到300HB時(shí)，其基本許用齒面應(yīng)力增加約66%（表面硬化鋼）?？紤]到調(diào)質(zhì)后的機(jī)加工，確定調(diào)質(zhì)后內(nèi)筒的硬度為300±20HB。

支腿內(nèi)筒的制造工藝為：下料→機(jī)加工→調(diào)質(zhì)熱處理→焊接法蘭→精加工→表面感應(yīng)淬火。

（3）40Cr鋼的熱處理工藝及要求。

40Cr鋼的調(diào)質(zhì)熱處理工藝規(guī)范見表4。

工藝要求：40Cr鋼的主要缺點(diǎn)是具有第二類回火脆性（即高溫回火脆性），所以回火后應(yīng)該快冷，可采用油冷或水冷。40Cr鋼的表面感應(yīng)淬火+回火工藝規(guī)范見表5。

表4 40Cr鋼的調(diào)質(zhì)熱處理工藝規(guī)范

表5 40Cr鋼的表面感應(yīng)淬火+回火工藝規(guī)范

3 結(jié)束語

（1）失效模式為粘著磨損，主要原因是硬度較低，內(nèi)外筒表面接觸點(diǎn)處發(fā)生塑性變形或剪切，使接觸點(diǎn)產(chǎn)生粘著；

（2）外筒解決方案為：選用35CrMo鋼替代45鋼作為外筒材料，同時(shí)提升了外筒的屈服強(qiáng)度；機(jī)加工工藝為：下料→機(jī)加工→焊接底座和封頭→調(diào)質(zhì)熱處理→精加工（鏜內(nèi)孔等）；在淬火冷卻過程中，底座法蘭處先淬入冷卻介質(zhì)；

（3）內(nèi)筒解決方案：選擇40Cr鋼代替27SiMn鋼，同時(shí)提升芯部硬度；機(jī)加工工藝為：下料→機(jī)加工→調(diào)質(zhì)熱處理→焊接法蘭→精加工→表面感應(yīng)淬火。