連桿螺栓斷裂的原因分析及案例分享

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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要求）。

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

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5000 ~ 8000h，未對連桿螺栓進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報廢。

某公司6M50-340/320-BX氨氫壓縮機是六列六級對稱平衡型氮氫氣壓縮機，軸功率4593kW，某年2月14日16：50，該機二段缸處發(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重刮傷，二段缸堵頭螺栓全部拉長。

該機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重刮傷、引起變形。

對連桿螺栓斷裂原因進行分析：

斷裂的螺栓其螺桿材料為35CrMo，符合國家標準。螺母為35#鋼，符合螺栓螺母材料的配合要求。35CrMo鋼具有強度高、韌性好、淬透性強和高溫強度高的特點，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)是按彈性原則設計的，比較合理。因此，該螺栓的斷裂可以確認不是結(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）這些缺陷便是應力集中點，當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荷過大而導致斷裂，如果是因為螺栓的負荷過大導致螺栓斷裂，則螺栓的斷裂部位應該是螺栓的最小截面處。連桿螺栓所受的力為螺栓初始預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荷為交變拉應力，此應力時刻在變化著。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。當螺栓在加工過程中存在有毛刺、刀痕、微裂紋、內(nèi)應力等缺陷時，這些缺陷在交變載荷下便會發(fā)展成為裂紋，并快速擴展，最終因不堪負重而突然斷裂。

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為回火索氏體，不允許有塊狀鐵素體出現(xiàn)，否則將降低強度和韌性。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而造成的疲勞斷裂。