履带行走系统支撑失效分析

2019-01-02朱洪睿何明虎宋宗华沙洪伟韩松

建筑机械 2018年12期

朱洪睿，何明虎，宋宗华，沙洪伟，韩松

（徐工道路机械事业部，江苏徐州 221004）

履带是工程机械最常用的行走系统，整机的升降采用油缸驱动内外圆筒摩擦副来实现，同时实现固定在车架上的工作装置的升降，这种设计常用在大型机械式就地冷再生机和大型机械式铣刨机上［1］。履带行走系统作为工程机械核心部件，其可靠性直接影响整机的工作效率，因其服役环境恶劣、腐蚀性强、灰尘大等特点，常会造成行走系统失效，影响工程的施工进度。本文借助某一履带行走系统失效特征，从热处理和机加工工艺出发，提出失效的解决方案。

1 故障分析

履带外筒：材质为45钢，要求调质处理，硬度200～229HB；

履带内筒：材质为27SiMn钢，要求调质后表面氮化，层深0.2～0.3mm，硬度55～60HRC。

图1 履带内筒失效形式

图2 履带外筒失效形式

在使用中，铣刨机支腿内筒和外筒之间频繁相对运动，牵引力通过支腿驱动整机前进，所以支腿受力较大，可能出现划伤，如图1-2所示。严重时内筒和外筒粘合在一起，即“烧死”，无法拆卸，必须返厂维修，经济损失很大。

根据观察到的履带内外筒故障的磨损表面形貌，可以确认内外筒表面发生了粘着磨损。其过程是：在接触载荷的作用下，内外筒表面接触点处发生塑性变形或剪切，使接触点产生粘着（即冷焊合）。在相对滑动的作用下，粘着点被剪断，然后出现粘着—剪断—再粘着—再剪断的循环过程。根据磨损形貌观察，内外筒粘着磨损的形式有：

（1）涂抹（Smearing）。在粘着强度大于外筒材料强度时，剪切发生在距离粘着面不远的外筒（软）金属的浅层内，使外筒（软）金属涂抹在内筒（硬）金属表面上；

（2）擦伤（Scoring）。转移到内筒硬表面上的粘着物又刮削外筒软金属表面，产生擦伤；

（3）咬合（Scuff i ng）。内外筒粘着表面沿着滑动方向出现明显的撕脱，产生严重的磨损。随着滑动继续进行，粘着范围很快增大，摩擦产生的热量使表面温度急剧升高，出现局部熔焊，使内外筒咬死不能相对滑动。

结论：支腿故障是由于外筒材质的强度、硬度偏低，许用接触应力低于实际接触应力；内筒氮化层太薄，芯部硬度偏低导致许用接触压力降低，产生了严重的粘着磨损所致。

2 支腿故障的技术解决方案

2.1 外筒技术解决方案

根据故障原因的分析，技术解决方案应该考虑解决如下问题：

（1）更换外筒材料。

支腿外筒原材质为45钢，经微观金相检验发现，组织中有沿晶界析出的先共析铁素体，说明45钢淬火时的冷却速度不足，故应更换淬透性更高的合金调质钢；考虑到抑制高温回火脆性，钢中应含有适量的Mo；考虑到外筒需要进行焊接，应适当降低合金调质钢的含碳量。45钢与几种常用的合金调质钢的焊接性（用碳当量表示）见表1，其中碳当量=C+Mn/6+（Cr+Mo）/5。

表1 几种钢的碳当量

从表1中可以看出，42CrMo钢碳当量最高，焊接性最差；40Cr钢次之；30CrMnSi钢碳当量最低，焊接性也最好，但该钢不含Mo，不利于抑制高温回火脆性；35CrMo钢的碳当量比42CrMo钢、40Cr钢要低，略高于30CrMnSi钢，故可以选用35CrMo钢替代45钢作为外筒材料。

（2）提高外筒的屈服强度或硬度。

根据粘着磨损理论，粘着磨损量Q，即磨损率为

式中：K为粘着磨损系数，W为载荷；H为硬度（HB）。

该式说明粘着磨损的体积与较软金属材料的屈服强度（或硬度）成反比，硬度越高，磨损体积（即磨损量）越低。

考虑到内外筒组成的摩擦副之间应该有一个硬度上的差别，所以选择将硬度从200～230HB提高到320～360HB。该硬度下的许用接触应力为：850～910MPa＞790MPa（经计算得到的实际接触应力）。新方案与原有外筒材料硬度与许用接触应力对比见表2。

表2 材料硬度与许用接触应力对比表

（3）外筒制造工艺改进。

原支腿外筒的制造工艺为：下料→机加工→调质热处理→焊接底座和封头→精加工（镗内孔等）。原工艺存在的问题是：焊接底座时，容易导致外筒下端口处（即焊缝附近）二次回火，如此处温度高于调质时的回火温度，则会降低强度和硬度。

图3 淬火入池方向

改进的工艺方案为：下料→机加工→焊接底座和封头→调质热处理→精加工（镗内孔等）。在淬火冷却过程中，外筒应按照图3所示的方向，即底座在下封头在上，淬入冷却介质当中。

（4）35CrMo钢的热处理工艺。

35CrMo钢的技术参数如下：AC1点750℃、AC3点800℃；35CrMo钢在850℃加热，油淬（试样毛坯尺寸25mm），550℃回火后，抗拉强度σb≥980MPa，屈服强度σs≥835MPa，延伸率δ5≥12%，冲击韧性AKU≥63J，硬度31.5HRC（294HB）。

根据上述技术参数，确定本方案中35CrMo钢的热处理工艺规范见表3。

2.2 内筒技术解决方案

（1）更换内筒材料。

内筒原材质为27SiMn钢，下部需要焊接法兰。考虑到淬透性要好，表面感应淬火的硬度要高，同时兼顾焊接性，故选择40Cr钢作为内筒材料。40Cr钢的碳当量（0.70）略高于35CrMo钢碳当量（0.68）。

表3 35CrMo钢的热处理工艺规范

（2）内筒表面硬度和芯部硬度的确定。

①内筒表面硬度。根据资料介绍，啮合齿面的硬度配对关系直接影响齿面的接触疲劳强度。因此一对相互啮合的齿面必须有硬度差，即小齿轮齿面硬度应高于大齿轮齿面硬度。在斜齿轮传动中，小齿轮齿面硬度（HB）应大于大齿轮齿面硬度（HB）的1.4倍及以上。若按1.4倍计算，340HB×1.4 = 476HB（接近50HRC）。

内筒表面硬度选为：50～54HRC，该硬度下的许用接触应力为1100～1150MPa＞790MPa（实际接触应力）。

②内筒芯部硬度。参考齿轮传动中，“在齿面硬度相同的情况下，提高轮齿芯部硬度，可以显著提高齿面的许用接触应力”。根据英国标准中的试验数据，芯部硬度从200HB增加到300HB时，其基本许用齿面应力增加约66%（表面硬化钢）。考虑到调质后的机加工，确定调质后内筒的硬度为300±20HB。

支腿内筒的制造工艺为：下料→机加工→调质热处理→焊接法兰→精加工→表面感应淬火。

（3）40Cr钢的热处理工艺及要求。

40Cr钢的调质热处理工艺规范见表4。

工艺要求：40Cr钢的主要缺点是具有第二类回火脆性（即高温回火脆性），所以回火后应该快冷，可采用油冷或水冷。40Cr钢的表面感应淬火+回火工艺规范见表5。