連桿螺栓斷裂的原因分析及案例分享

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因聯(lián)科技iline

2021-10-14 17:11

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圖1 連桿螺栓斷裂

連桿螺栓斷裂的原因如下：

1. 連桿螺栓擰得太緊或太松。擰得太緊，螺栓承受過大拉力而折斷；擰得太松，工作時螺母松動，連桿大頭瓦在連桿體內(nèi)晃動，螺栓承受過大的沖擊力而折斷。因此擰緊螺母時要用扭力扳手按要求力矩上緊，或者用測量螺栓伸長量的方法來控制拉緊力。

2. 開口銷折斷引起連桿螺栓松動、斷裂。

3. 連桿螺栓疲勞斷裂。

4. 連桿螺栓的材質(zhì)、鍛壓、熱處理、加工、探傷和裝配有問題（特別要注意螺栓的過渡圓角、退刀槽、螺紋表面的粗糙度是否符合技術(shù)要求）。

5. 連桿大頭瓦過熱，活塞卡住或超負(fù)荷運轉(zhuǎn)，連桿螺栓因承受過大應(yīng)力而折斷。

6. 運動部件出現(xiàn)故障，對連桿螺栓產(chǎn)生較大沖擊載荷（例如曲軸、十字頭、活塞桿斷裂）。

7. 長期使用達(dá)5000 ~ 8000h，未對連桿螺栓進(jìn)行磁粉探傷和殘余變形測量。如果螺栓有萬分之一以上殘余變形者均應(yīng)報廢。

某公司6M50-340/320-BX氨氫壓縮機(jī)是六列六級對稱平衡型氮氫氣壓縮機(jī)，軸功率4593kW，某年2月14日16：50，該機(jī)二段缸處發(fā)出了一聲沉悶的巨響，整個廠房都能感覺到了振動，操作工緊急停車，到現(xiàn)場察看發(fā)現(xiàn)二段缸堵頭沖開，煤氣泄漏嚴(yán)重，檢修工對其檢查，發(fā)現(xiàn)二段連桿大頭瓦螺栓斷裂，二段連桿彎曲變形，二段十字頭上下滑道靠主軸側(cè)斷裂脫落，主軸二段曲柄銷處嚴(yán)重刮傷，二段缸堵頭螺栓全部拉長。

該機(jī)2月14日事故的直接原因是：二段連桿兩根大頭瓦螺栓中的一根突然斷裂，接著另一根也被拉斷。螺栓斷裂后，大頭瓦蓋與連桿體脫開，使運轉(zhuǎn)著的主軸將二段連桿碰彎，同時將機(jī)身十字頭滑道碰裂、十字頭變形，且十字頭帶著活塞桿將二段氣缸蓋頂開，并將主軸二段曲柄銷嚴(yán)重刮傷、引起變形。

對連桿螺栓斷裂原因進(jìn)行分析：

斷裂的螺栓其螺桿材料為35CrMo，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。螺母為35#鋼，符合螺栓螺母材料的配合要求。35CrMo鋼具有強(qiáng)度高、韌性好、淬透性強(qiáng)和高溫強(qiáng)度高的特點，常用于制造重要的零部件和高溫（≤480℃）下工作的螺栓。因此該螺栓的選材是合理的。

連桿螺栓結(jié)構(gòu)如圖2所示，螺栓結(jié)構(gòu)是按彈性原則設(shè)計的，比較合理。因此，該螺栓的斷裂可以確認(rèn)不是結(jié)構(gòu)方面的問題。

圖2 連桿螺栓結(jié)構(gòu)

該螺栓螺紋采用車刀車制而成，加工過程中螺紋部位不可避免會出現(xiàn)毛刺、劃痕、刮傷、尖角、根切、擠壓微裂紋等微觀缺陷（這些缺陷在磁粉或著色探傷檢測中不易發(fā)現(xiàn)或容易被忽視）這些缺陷便是應(yīng)力集中點，當(dāng)螺栓承受交變載荷時它就有可能發(fā)展為裂紋。而螺栓螺紋部位承受的載荷是不均勻的，螺紋與螺母相連處的第一圈螺紋約承受1/3的載荷，到了第8圈幾乎沒有載荷。因此大多數(shù)螺栓斷裂都發(fā)生在第一圈附近，該螺栓也是在第1圈附近斷裂。

螺栓斷裂處斷口無明顯的塑性變形，裂紋源不明顯，從斷口看，裂紋先擴(kuò)展至整個斷面的65%后螺栓才突然斷裂。斷口部位并非螺栓的最小截面，因而可斷定并不是因為螺栓承受負(fù)荷過大而導(dǎo)致斷裂，如果是因為螺栓的負(fù)荷過大導(dǎo)致螺栓斷裂，則螺栓的斷裂部位應(yīng)該是螺栓的最小截面處。連桿螺栓所受的力為螺栓初始預(yù)緊力和氣體壓縮過程中連桿傳遞過程的活塞力，即連桿螺栓所承受的負(fù)荷為交變拉應(yīng)力，此應(yīng)力時刻在變化著。由于螺栓承受的是交變載荷，因此它的破壞主要是疲勞破壞。當(dāng)螺栓在加工過程中存在有毛刺、刀痕、微裂紋、內(nèi)應(yīng)力等缺陷時，這些缺陷在交變載荷下便會發(fā)展成為裂紋，并快速擴(kuò)展，最終因不堪負(fù)重而突然斷裂。

對斷裂后的螺栓做了硬度分析和金相分析，硬度為HB292；金相組織為回火索氏體+鐵素體，晶粗度為7-8級。對于35CrMo鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的金相組織應(yīng)為回火索氏體，不允許有塊狀鐵素體出現(xiàn)，否則將降低強(qiáng)度和韌性。由于其金相組織中存在鐵素體，因此，該螺栓的調(diào)質(zhì)是不符合要求的。

綜上所述，該螺栓的斷裂是制造加工不當(dāng)而造成的疲勞斷裂。