飛輪殼螺栓斷裂失效分析

曾亮，李文廣，張志偉，李雷

1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061;2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

飛輪殼連接發(fā)動機本體和變速器，是柴油機的一個重要基礎件[1-3]，承擔發(fā)動機及變速箱的部分重量，同時保護離合器和飛輪[4-6]。若飛輪殼固定螺栓在路面沖擊載荷、發(fā)動機內(nèi)部激勵等交變應力作用下斷裂，將導致飛輪殼破裂[7-9]。飛輪殼固定螺栓設計不合理、加工質(zhì)量不達標、選用材料不合格等都可能導致螺栓斷裂[10-13]。本文中針對某拖拉機用發(fā)動機發(fā)生的飛輪殼螺栓斷裂故障，通過宏觀斷口分析、加工質(zhì)量分析、材料檢驗、受力分析等手段對螺栓進行失效分析，確定斷裂原因，對螺栓承壓面進行優(yōu)化設計，為飛輪殼固定螺栓的設計和失效改進提供參考。

1 失效分析

1.1 故障描述

配套大馬力拖拉機的某柴油機發(fā)生飛輪殼多處固定螺栓斷裂故障，故障部位如圖1所示。

a)松脫及斷裂螺釘 b)接觸面壓潰 圖1 故障部位

圖2 飛輪殼固定螺栓

由圖1可知，飛輪殼有部分螺栓脫出，機體與飛輪殼產(chǎn)生約5 mm左右的縫隙。

飛輪殼與機體之間通過6個M12×45(12.9級)、10個M10×35(12.9級)、2個M10×60(12.9級)六角頭螺栓固定，如圖2所示。飛輪殼緊固螺栓采用力矩法擰緊，M10、M12螺栓的擰緊力矩分別為76、131 N·m。

1.2 斷口分析

故障現(xiàn)場返回3個斷裂螺栓，對斷裂螺栓進行宏觀斷口分析，如圖3所示。

由圖3可知：1)螺栓發(fā)生了單向彎曲的高應力低周疲勞斷裂；2)螺栓存在較大的應力集中，疲勞源區(qū)均存在較多的疲勞溝槽，其中2號螺栓疲勞溝槽最為明顯，布滿整個螺栓牙底處，深度約為1 mm。

a)1號螺栓(M10) b)2號螺栓(M10) c)3號螺栓(M10) 圖3 螺栓宏觀斷口

2號螺栓的微觀斷口分析如圖4所示。由圖4可知，裂紋源區(qū)為脆性斷裂微觀形貌，快速擴展區(qū)可見細小韌窩，為韌性斷裂形貌，疲勞源區(qū)未見異常。

圖4 2號螺栓微觀斷口

圖5 螺栓心部金相

綜上所述，從故障件的斷口來看，螺栓發(fā)生低周疲勞斷裂，疲勞溝槽主要分布于螺栓螺紋牙底。

1.3 失效原因排查

1.3.1 材料檢驗

對失效螺栓進行金相、硬度及成分等檢測[14]，螺栓心部的金相組織如圖5所示。由圖5可知，螺栓金相組織為回火索氏體，金相合格。

檢測斷裂螺栓的硬度，1、2、3號螺栓的HRC硬度分別為39.5、41.0、41.0，所有螺栓的硬度均符合設計要求(設計要求HRC硬度為39～44)。

對螺栓的成分進行檢測，檢測結果如表1所示。由表1可知，螺栓的各組成成分符合要求。

表1 螺栓成分檢測結果

%

螺栓CSiMnCrMoSPFe1號0.3470.1770.6020.910.1790.0060.008余量2號0.3800.1850.5500.830.1800.0070.008余量3號0.3500.2000.6500.950.1850.0060.009余量標準0.32～0.400.17～0.370.40～0.700.80～1.100.15～0.25≤0.035≤0.035余量

綜上所述，從材料的金相、硬度、成分檢測結果看來，螺栓材料符合文獻[15-16]的要求，材質(zhì)不是螺栓斷裂的原因。

1.3.2 加工質(zhì)量檢測

圖6 12.9級螺栓加工表面形貌 圖7 12.9級螺栓牙底加工質(zhì)量

在體式顯微鏡下觀察失效螺栓的加工表面，12.9級螺栓加工表面如圖6所示。螺栓牙底加工表面如圖7所示。由圖7可知，螺栓牙底加工型線與理論型線一致，加工質(zhì)量合格。由圖6、7中可知，螺栓周向和軸向范圍內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

a)螺栓與飛輪殼接觸面面壓 b)接觸面實際圖片 圖8 飛輪殼與螺栓接觸面面壓分布與實際圖片

1.3.3 受力分析

施加螺栓預緊力后，計算飛輪殼與螺栓接觸面的面壓，如圖8a)所示(圖中單位為MPa)，圖8b)為飛輪殼右下角實際圖片。

圖8a)中紅色部分為M12螺栓與飛輪殼的接觸面面壓最大區(qū)域，最大達到826 MPa，遠超飛輪殼材料HT250的最大抗壓強度(625 MPa)和最大抗壓屈服強度(410.5 MPa)。飛輪殼與螺栓接觸面已被壓潰，嚴重變形。由圖8b)可知，M12的螺栓表面壓潰現(xiàn)象明顯，與螺栓與飛輪殼接觸面面壓計算結果一致。

由于M12螺栓孔附近表面被壓潰，導致螺栓軸力松弛，螺栓發(fā)生松脫，周圍的M10螺栓承受較大的拉壓交變應力，產(chǎn)生疲勞，發(fā)生斷裂。

2 螺栓優(yōu)化與驗證

將飛輪殼螺栓的承壓面改為法蘭面，如圖9所示。改進后螺栓承壓面面壓分布如圖10所示(圖中單位為MPa)。

a)六角頭螺栓 b)法蘭面螺栓 圖9 改進前、后螺栓三維圖

圖10 改進后螺栓接觸面面壓分布

計算改進后法蘭面螺栓的理論螺栓接觸面面壓，采用力矩法擰緊方式，計算所需相關數(shù)據(jù)及理論螺栓接觸面面壓計算結果見表2。

表2 螺栓參數(shù)及接觸面面壓計算結果

由表2和圖10可知，螺栓接觸區(qū)域的面壓小于飛輪殼材料HT250的最大抗壓強度和最大抗壓屈服強度，滿足要求。飛輪殼更換新螺栓后市場上未反饋相同故障，改進措施有效。

3 結論

1)螺栓斷口表明螺栓發(fā)生低周疲勞斷裂，疲勞源起于螺栓外圓牙底處。

2)由于被連接件M12的螺栓孔附近表面壓潰，導致螺栓軸力松弛，周圍的M10螺栓承受較大的交變應力，產(chǎn)生疲勞，發(fā)生斷裂。

3)在設計及制定工藝時需要同時考慮螺栓及連接件的強度，防止發(fā)生連接件破壞，導致螺栓松脫及軸力下降等問題。