ZYYG170A型液壓鑿巖機釬尾套失效機理分析及改進措施的探討

曹偉，李兆駿，唐裔振，李芳

（中船重工中南裝備有限責任公司，湖北宜昌443003）

0 引言

釬尾套（部分文獻稱為隔套）是ZYYG170A型液壓鑿巖機緩沖機構(gòu)的重要零件之一，也是使用過程中經(jīng)常損壞的零件之一，行業(yè)內(nèi)將此類零件稱之為易損件,其失效的主要形式為零件破損崩落，見圖1。本文從緩沖機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理以及釬尾套的受力狀態(tài)等方面對釬尾套失效的機理進行分析，并從材料性能，加工精度等方面對提高零件使用壽命的改進措施進行探討。

1 緩沖機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

ZYYG170A型液壓鑿巖機是1838ME 液壓鑿巖機的國產(chǎn)化機型，其緩沖機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)與1838ME 型液壓鑿巖機相同。圖2 中，釬尾套位于大齒輪后端內(nèi)部，其中心線與大齒輪中心線重合（同軸）。在釬尾套與大齒輪之間有一個襯套將兩個零件隔開。釬尾套的主要作用是在釬尾和緩沖活塞之間起到一個過渡作用，將反彈的能量傳遞給緩沖活塞，在緩沖活塞回程時又推動釬尾復(fù)位。

圖1 釬尾套失效后的照片

在鑿巖過程中，沖擊活塞傳遞給釬具的能量不能全部用于破巖，必然有一部分能量反彈回來。為了避免反彈回來的能量損傷鑿巖機，就必須進行緩沖。在釬尾反彈時，首先撞擊釬尾套，然后釬尾套推動緩沖活塞向后運動，緩沖活塞在緩沖腔液壓力的作用下將反彈的速度逐漸降為零。之后，緩沖活塞又在緩沖壓力和蓄能器的聯(lián)合作用下向前運動，通過釬尾套推動釬尾復(fù)位，迎接沖擊活塞的下一次沖擊，如此往復(fù)循環(huán)。

圖2 緩沖機構(gòu)示意圖

2 釬尾套受力狀態(tài)分析

從緩沖機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理看，無論是在緩沖吸能階段還是緩沖回程階段，釬尾套始終夾在釬尾和緩沖活塞之間，在這兩個零件之間傳遞力量。不同巖石破碎性不同，當所鉆巖石較軟時，鉆桿與活塞均不反彈；當所鉆巖石較硬時，鉆桿才反彈[1]。硬度不同，鉆桿反彈回來的能量也不同，加上不同工況下緩沖壓力和蓄能器充氮壓力的設(shè)定值不同，所以，在沖擊活塞提供相同沖擊能的情況下，釬尾套緩沖的初速度和緩沖距離在不同工況下并不相同。

在緩沖吸能階段，釬尾套和緩沖活塞的運動為加速度逐漸變小的變減速運動，而在緩沖回程階段，釬尾套和緩沖活塞的運動為加速度不變的加速運動[2]。

為了方便分析和計算，我們先進行必要的簡化，將緩沖吸能階段釬尾套和緩沖活塞的運動看成是加速度不變的勻減速運動，并假定下列條件：

（1）釬尾套反彈的初速度v0為固定值，取v0=10 m/s；

（2）釬尾套反彈過程中是勻減速運動，即加速度a 為固定值；

（3）緩沖距離S 為固定值,取S=0.4×10-3m；

由此，我們可以列出以下方程

式中 t——緩沖減速時間

F——釬尾套在緩沖過程中所受的力

m——釬尾套質(zhì)量

已知釬尾套質(zhì)量m=3.8 kg，并將v0=10 m/s，S=0.4×10-3m 代入式（1）、式（2）、式（3）可得F=47 500 N

同樣的方法可以計算出緩沖回程階段釬尾套所受力的大小，因其小于緩沖吸能階段釬尾套所受力的大小，在此不再贅述。

為進一步了解釬尾套在工作過程中的受力和應(yīng)變狀態(tài)，我們運用SolidWorks 軟件自帶的Simulation Xpress 模塊對零件進行了有限元分析。

在釬尾套的工作過程中，其所受的載荷可能是均勻分布的，也可能不是均勻分布的。對兩種情況分別進行模擬分析。

基于前面的假定條件進行有限元分析后，從圖3、圖4 可以看出，釬尾套均勻受力時后端的最大應(yīng)力不超過130 MPa,但是其應(yīng)變較大，達到了0.02 mm 以上。由此說明，釬尾套在受到釬尾和緩沖活塞擠壓力的作用時，局部會向外膨脹。從圖5 可以看出，當釬尾套受到偏載時，其局部所受的應(yīng)力較大，所受應(yīng)力較大部分的形狀、大小與失效時破損部分的形狀、大小非常相似。

圖3 釬尾套均勻受力時的應(yīng)力分布

圖4 釬尾套均勻受力時的應(yīng)變

圖5 釬尾套偏載時的應(yīng)力分布

3 釬尾套失效機理分析

根據(jù)釬尾套的實際工況，結(jié)合以上分析，筆者認為，釬尾套的工作和失效過程可分為初始階段、偏載階段和疲勞失效階段三個階段。

在初始階段，由于釬尾套和襯套之間的間隙較小，可以認為釬尾套、釬尾及緩沖活塞三個零件是同軸的，釬尾套受力時載荷分布較為均勻。但由于釬尾套受到擠壓時向外膨脹，擠壓襯套，同時又在往復(fù)運動，會對襯套產(chǎn)生一個擠壓和摩擦拉伸的復(fù)合作用，在此作用下，襯套被擠壓拉長，襯套與釬尾套之間的間隙不斷擴大。

在偏載階段，由于襯套與釬尾套之間的間隙擴大，會造成釬尾套、釬尾及緩沖活塞三個零件之間產(chǎn)生偏心，進而導(dǎo)致釬尾套在受力時載荷分布不均勻，此現(xiàn)象稱為偏載。在此階段，釬尾對襯套的擠壓拉伸作用仍然存在，襯套與釬尾套之間的間隙繼續(xù)擴大。隨著間隙不斷擴大，釬尾套、釬尾及緩沖活塞三個零件之間產(chǎn)生的偏心量也跟著不斷擴大，偏載程度越來越嚴重。

在疲勞失效階段，釬尾套偏載達到一定的程度。由于鑿巖機的工作頻率高達55-60 Hz，在高頻率加載、卸載的工況下，釬尾套應(yīng)力較大的部位會很快產(chǎn)生疲勞裂紋并逐步擴大，從而導(dǎo)致零件破損失效。

4 改進措施

從釬尾套失效機理來看，偏載導(dǎo)致的疲勞失效是釬尾套破損失效的主要原因，而偏載的原因是釬尾套與襯套之間的間隙不斷擴大造成零件之間的不同軸。對此，筆者提出以下幾點改進措施：

（1）提高襯套材料的屈服強度。

（2）在不降低釬尾套材料沖擊韌性的前提下，適當提高屈服強度。

（3）在加工能力能夠滿足的前提下，盡量提高釬尾套的表面粗糙度和形位公差。

（4）對釬尾套表面進行強化處理，使其表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，提高疲勞強度。

措施（1）和措施（2）的作用是通過提高零件材料的強度，減小零件在受載時的變形來延緩釬尾套與襯套之間間隙的擴大速度，從而延緩釬尾套偏載發(fā)展的速度。措施（3）和措施（4）是通過提高釬尾套自身抗疲勞的能力來延長疲勞壽命。

通過以上措施，釬尾套和襯套的疲勞壽命應(yīng)能有所延長。

5 結(jié)束語

導(dǎo)致釬尾套破損失效的主要原因是偏載導(dǎo)致的疲勞失效。通過提高零件材料的強度，減小零件在受載時的變形來延緩釬尾套與襯套之間間隙的擴大速度，從而延緩釬尾套偏載程度加劇的過程，同時提高釬尾套自身抗疲勞的能力，可以延長零件的疲勞壽命。