1 故障现象
1 台新型山推大功率推土机进行试验验证，当运行到 1157h 后，其推土铲倾斜缸活塞杆耳环断裂并被拉伸变形，如图 1 所示。该倾斜缸底座端通过销轴安装在推土铲推杆上，活塞杆耳环端通过关节轴承和销轴安装在推土铲上。在作业过程中，倾斜缸对推土铲起到支撑和调节倾斜角度的作用。我们采用多种分析方法，查找该故障的原因，并提出改进措施。
2 原因分析
2.1 耳环结构强度
将断裂的耳环与图纸进行对照，发现耳环实物与图纸不符：图纸上耳环和活塞杆的焊缝，与耳环内径最大距离为 45mm，耳环壁厚由此处开始逐渐变薄，但是耳环实物却是壁厚为 15mm的圆环。这说明耳环未按设计图纸加工，造成其强度降低。活塞杆耳环设计尺寸如图 2 所示。
由于耳环断裂部位较薄，其与活塞杆焊接时产生的高温可造成耳环焊接部位强度降低，可导致其受力时被拉断。观察该耳环在断裂之前形成的贝纹线，可知该耳环为疲劳断裂。
2.2 关节轴承运动角度
倾斜缸活塞杆耳环内径安装的关节轴承代号为 GB9163-GEG50ES-2RS，其倾斜角为17°。以推土铲作业状态对关节轴承的运动角度进行有限元仿真分析（CAE），发现此处关
节轴承最大倾斜角度仅为 1.13°，在该关节轴承允许倾斜角度之内，故选用该关节轴承没有问题。关节轴承运动分析结果如图 3 所示。
2.3 耳环壁厚安全系数
根据该推土机液压系统工作压力，耳环选用 45# 钢制作。我们按照以下公式计算该耳环
壁厚安全系数：
K=（2×σs×A1）/（P×A2）
式中：K——耳环壁厚安全系数；
σs——材料屈服强度；
A1——耳环厚度截面积；
P——液压系统工作压力；
A2——活塞最大作用面积。
将相关数据代入上述公式，经计算得出活塞杆耳环壁厚安全系数为 2.4，而其他机型活塞杆耳环壁厚安全系数为 3.5 ～ 7，由此得知该倾斜缸活塞杆耳环壁厚安全系数偏低。
2.4 有限元仿真分析
使用有限元仿真分析软件（CAE）对倾斜缸活塞杆耳环进行应力分析，分析结果如图 4所示。从图 4 可以看出，在活塞杆耳环 R20 的倒圆角处应力最大，为 459.9MPa，超过了该耳环选用的 45# 钢 355MPa 的屈服极限。
2.5 材料性质分析
金相组织 为了更全面找出活塞杆耳环断裂原因，我们在缸活塞杆耳环断裂处取材（切片），对其材料的金相组织进行理化分析。我们在电子显微镜下观察断裂活塞杆耳环的金相组织主要是铁素体＋珠光体。调质处理后的 45# 钢，其金相组织应为均匀且弥散分布的回火索氏体，故判定该活塞杆耳环断裂处金相组织为不合格。耳环断裂处金相组织分布如图 5 所示。
硬度 测试断裂耳环的硬度为 118HB，而调质处理后的 45# 钢硬度应为 229 ～ 277HB，故判定断裂耳环的硬度不合格。
化学成分 按照设计要求，耳环为 45# 钢。检测断裂耳环的化学元素成分，与 45# 钢化学成分对比差异很大，断裂活塞杆耳环的 C（碳）、Mn（锰）、Cr（鉻）、Ni（镍）等元素的含量与 20# 钢相符，故其材质不合格。这有可能是在下料时，错将 20# 钢用于加工该耳环。断裂耳环主要化学元素成分与 45# 钢对比如附表所示。
20# 钢的强度极限比 45# 钢小很多：45#钢调质处理后的屈服极限 σs 为 355MPa，而 20#钢调质处理后的屈服极限 σs 仅为 245MPa。由此可以判定：断裂耳环使用 20# 钢制作，其强度不能满足设计要求，是造成该耳环疲劳断裂的主要原因。
3 改进措施
根据故障原因分析结果，经再次使用有限元仿真分析软件（CAE）对倾斜缸活塞杆耳环进行应力分析后，最终确定对该型推土铲倾斜缸活塞杆耳环结构进行以下 3 项改进：一是活塞杆耳环必须使用 45# 钢材加工制作并进行调质处理；二是将活塞杆耳环壁厚由 15mm 增大到 30mm；三是将耳环与活塞杆之间的过渡圆角半径由 20mm 增大到 30mm。
我们要求生产厂家按照以上改进措施试制1 件倾斜缸，装机后经过一段时间使用验证，倾斜缸活塞杆耳环处未再出现断裂故障，此项改进取得了预期效果。
作者：关祥龙 余丽艳 杨丽霞
来源：《工程机械与维修》2018年第四期
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修机｜推土机推土铲倾斜缸活塞杆耳环断裂原因及改进措施
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1 故障现象
1 台新型山推大功率推土机进行试验验证，当运行到 1157h 后，其推土铲倾斜缸活塞杆耳环断裂并被拉伸变形，如图 1 所示。该倾斜缸底座端通过销轴安装在推土铲推杆上，活塞杆耳环端通过关节轴承和销轴安装在推土铲上。在作业过程中，倾斜缸对推土铲起到支撑和调节倾斜角度的作用。我们采用多种分析方法，查找该故障的原因，并提出改进措施。
2 原因分析
2.1 耳环结构强度
将断裂的耳环与图纸进行对照，发现耳环实物与图纸不符：图纸上耳环和活塞杆的焊缝，与耳环内径最大距离为 45mm，耳环壁厚由此处开始逐渐变薄，但是耳环实物却是壁厚为 15mm的圆环。这说明耳环未按设计图纸加工，造成其强度降低。活塞杆耳环设计尺寸如图 2 所示。
由于耳环断裂部位较薄，其与活塞杆焊接时产生的高温可造成耳环焊接部位强度降低，可导致其受力时被拉断。观察该耳环在断裂之前形成的贝纹线，可知该耳环为疲劳断裂。
2.2 关节轴承运动角度
倾斜缸活塞杆耳环内径安装的关节轴承代号为 GB9163-GEG50ES-2RS，其倾斜角为17°。以推土铲作业状态对关节轴承的运动角度进行有限元仿真分析（CAE），发现此处关
节轴承最大倾斜角度仅为 1.13°，在该关节轴承允许倾斜角度之内，故选用该关节轴承没有问题。关节轴承运动分析结果如图 3 所示。
2.3 耳环壁厚安全系数
根据该推土机液压系统工作压力，耳环选用 45# 钢制作。我们按照以下公式计算该耳环
壁厚安全系数：
K=（2×σs×A1）/（P×A2）
式中：K——耳环壁厚安全系数；
σs——材料屈服强度；
A1——耳环厚度截面积；
P——液压系统工作压力；
A2——活塞最大作用面积。
将相关数据代入上述公式，经计算得出活塞杆耳环壁厚安全系数为 2.4，而其他机型活塞杆耳环壁厚安全系数为 3.5 ～ 7，由此得知该倾斜缸活塞杆耳环壁厚安全系数偏低。
2.4 有限元仿真分析
使用有限元仿真分析软件（CAE）对倾斜缸活塞杆耳环进行应力分析，分析结果如图 4所示。从图 4 可以看出，在活塞杆耳环 R20 的倒圆角处应力最大，为 459.9MPa，超过了该耳环选用的 45# 钢 355MPa 的屈服极限。
2.5 材料性质分析
金相组织 为了更全面找出活塞杆耳环断裂原因，我们在缸活塞杆耳环断裂处取材（切片），对其材料的金相组织进行理化分析。我们在电子显微镜下观察断裂活塞杆耳环的金相组织主要是铁素体＋珠光体。调质处理后的 45# 钢，其金相组织应为均匀且弥散分布的回火索氏体，故判定该活塞杆耳环断裂处金相组织为不合格。耳环断裂处金相组织分布如图 5 所示。
硬度 测试断裂耳环的硬度为 118HB，而调质处理后的 45# 钢硬度应为 229 ～ 277HB，故判定断裂耳环的硬度不合格。
化学成分 按照设计要求，耳环为 45# 钢。检测断裂耳环的化学元素成分，与 45# 钢化学成分对比差异很大，断裂活塞杆耳环的 C（碳）、Mn（锰）、Cr（鉻）、Ni（镍）等元素的含量与 20# 钢相符，故其材质不合格。这有可能是在下料时，错将 20# 钢用于加工该耳环。断裂耳环主要化学元素成分与 45# 钢对比如附表所示。
20# 钢的强度极限比 45# 钢小很多：45#钢调质处理后的屈服极限 σs 为 355MPa，而 20#钢调质处理后的屈服极限 σs 仅为 245MPa。由此可以判定：断裂耳环使用 20# 钢制作，其强度不能满足设计要求，是造成该耳环疲劳断裂的主要原因。
3 改进措施
根据故障原因分析结果，经再次使用有限元仿真分析软件（CAE）对倾斜缸活塞杆耳环进行应力分析后，最终确定对该型推土铲倾斜缸活塞杆耳环结构进行以下 3 项改进：一是活塞杆耳环必须使用 45# 钢材加工制作并进行调质处理；二是将活塞杆耳环壁厚由 15mm 增大到 30mm；三是将耳环与活塞杆之间的过渡圆角半径由 20mm 增大到 30mm。
我们要求生产厂家按照以上改进措施试制1 件倾斜缸，装机后经过一段时间使用验证，倾斜缸活塞杆耳环处未再出现断裂故障，此项改进取得了预期效果。
作者：关祥龙 余丽艳 杨丽霞
来源：《工程机械与维修》2018年第四期
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