典型液压支架立柱缸体材料疲劳性能研究
时间：2022-12-04 20:45:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
程相榜，李 争，王 炉，赵小辉
(1.郑煤机智鼎液压有限公司，河南 郑州 450016；
2.郑州煤矿机械集团股份有限公司，河南 郑州 450016；
3.吉林大学 材料科学与工程学院，吉林 长春 130025)
随着煤矿产业的快速发展，对液压支架等支护设备的需求也随之增加，需要在现有设备的基础上开发具有更长使用寿命、更经济的设备材料和更高安全性的高端液压支架。液压支架未来会朝着强力化、标准化、多样化、自动化方向不断发展[1]。液压支架也需要具备有不同的类型和性能来适用于不同的地质环境和工况条件[2-3]。作为综采支护设备的液压支架的安全性、稳定性和服役寿命，对综采的安全性及自动化综采的稳定性起到决定性的作用[4-5]。因此，需要开发具有更长使用寿命、更经济的设备材料和更高安全性的高端液压支架[6-7]。
在矿井下服役过程中，液压支架需要上下升降及前后移动来完成综采时的支护任务。其动力来源就是液压支架油缸，通过油缸的升降，驱动了液压支架的移动和升降[8]。在升降循环过程中，油缸承受交变载荷，容易发生疲劳破坏，一旦油缸发生疲劳失效将会对生产安全和企业效益产生不利影响，从设计、制造角度保证油缸的疲劳可靠性对保证液压支架服役的安全可靠性非常重要[9-10]。本文研究了典型油缸材料在交变载荷下的疲劳性能，对几种油缸材料进行疲劳测试，获得疲劳S—N曲线，并从微观角度分析基体组织和疲劳断口形貌，确定了不同材料的疲劳性能数据，为不同疲劳寿命下油缸材料选择提供理论指导。
试验材料为30CrMnSi、27SiMn、30CrMo三种液压支架油缸常用的高强钢管，钢管直径495 mm、壁厚45 mm，其化学成分见表1。
表1 30CrMnSi、27SiMn、30CrMo化学成分Tab.1 Chemical constituents of 30CrMnSi，27SiMn and 30CrMo %
在液压支架油缸生产中，3种试验材料的热处理工艺为水冷淬火后在500～650 ℃温度范围内回火的调质处理，金相组织为调质后的回火索氏体，其中针状铁素体占绝大多数，粒状的渗碳体分布其中，很大程度上提高了材料的强度和硬度，并且塑性和韧性相对于马氏体组织也有较大提高。强度、刚度和疲劳寿命是对工程结构和机械使用的3个基本要求[11-12]，本文依据国标GB/T 228.1—2010，对3种材料进行了强度拉伸力学性能的测试，测试结果见表2。
表2 30CrMnSi、27SiMn、30CrMo力学性能Tab.2 Mechanical properties of 30CrMnSi，27SiMn and 30CrMo
(1)试样形式。液压支架油缸3种材料的疲劳试样采用平板结构形式如图1所示。试样制备采用线切割从热处理后的钢管上取下，再进行磨削加工。
图1 原始母材疲劳试样形式及尺寸 Fig.1 Form and size of fatigue sample of original base metal
(2)疲劳试验方法。疲劳试验根据ASTM E468[13]标准测试，进行疲劳试验前将试样打磨光滑，进行室温交变载荷疲劳试验[14]。每种材料采用20根疲劳试样，在相应材料屈服强度5%的差值应力水平下逐级加载。根据GB—25974.1中耐久性能加载曲线(图2)，加载压力分别为1.05倍的额定工作压力(最大载荷)和0.25倍的额定工作压力(最小载荷)，采用应力比(最低应力/最高应力)R=0.238，加载方式为拉—拉加载，加载频率100 Hz。通过试验得到相应寿命，以应力为纵坐标、以循环数N为横坐标，用最佳拟合法绘制S—N曲线[15]。
图2 加载周期Fig.2 Loading cycle
3.1 疲劳试验结果
光滑疲劳试样经过不同水平应力的循环加载作用，断裂位置均为试样中心薄弱位置如图3所示。
图3 疲劳试断裂宏观示意Fig.3 Macroscopic diagram of fatigue test fracture
对3种材料各级应力水平加载条件下所得到的最终疲劳循环周次统计，并计算疲劳试验数据点的最大应力和循环次数以10为底的对数值，采用幂函数模型回归计算，拟合出试验材料的S—N曲线如图4所示。
图4 三种高强钢疲劳S—N曲线 Fig.4 Fatigue S-N curves of three kinds of high strength steels
从图4中可知，在3×104、6×104、9×104、106次循环下材料的疲劳强度见表3。图4显示，材料光滑试样的疲劳性能存在区别，相比之下疲劳性能30CrMnSi>30CrMo>27SiMn，结合材料的力学性能表2可以看出光滑试样的疲劳强度与屈服强度存在正比关系，且3种材料在1×106次循环下的疲劳强度均接近与材料的屈服强度。依据该试验结果，本文认为理论上提高材料的屈服强度可以对应提高其疲劳性能。
表3 对应于不同循环次数的不同材料疲劳强度Tab.3 Fatigue strength of different materials corresponding to different cycles MPa
依据表3和图4的疲劳强度数据，结合不同客户对缸筒使用寿命的不同，在油缸设计及材料选择时，缸筒名义应力不能优化减小时，就要选择疲劳强度高的材料，如果可以通过结构优化减小名义应力，设计人员就可以选择屈服强度低价格低的材料。无论何种情况设计应力不得超过要求寿命对应的疲劳强度。在仅有27SiMn、30CrMo、30CrMnSi选择的情况下，本文建议在3×104、6×104次、9×104次寿命下油缸设计应力分别不超过684、669、659 MPa，这样在设计时，可仅进行静载设计即可。
3.2 疲劳断口分析
利用SEM对疲劳试样断口进行微观分析，从疲劳断口看典型的疲劳断裂方式有3钟，穿晶断裂为韧性断裂方式，伴随韧性条纹出现；
解理断裂清晰可见的解理小平面和河流花样；
沿晶断裂可观察到长条型的沿晶裂纹。
试样疲劳断口SEM形貌如图5所示。
图5 试样疲劳断口SEM形貌Fig.5 SEM appearance of fatigue fracture of sample
由图5可以看出，3种试样的断裂方式为典型的疲劳断裂，从不同断口图中可以发现裂纹源位置都在疲劳试样表面的缺陷或夹杂处，由于表面缺陷位置属于应力集中区域，在循环加载条件下成为薄弱位置，导致裂纹源形成；
裂纹的扩展过程可以清楚看到贝壳纹的存在，与裂纹的扩展方向垂直并发散开来，在高倍率的显微镜下可以观察到疲劳的典型特征疲劳辉纹，疲劳辉纹由每次应力循环的过程中产生，一般可以用判断裂纹扩展的快慢。
由图5(a)可知，30CrMnSi试样的裂纹源位置在表面的点状杂质处，并且在循环应力的加载下向内部延伸，为典型的穿晶断裂断口，最后裂纹迅速扩展导致试样断裂；
由图5(b)可知，27SiMn试样的裂纹源在左下角的缺陷处，作为表面的应力集中位置，裂纹容易在此萌生，在循环应力作用下向内部扩展，可以观察到典型的贝壳纹花样，清晰地观察到裂纹扩展的方向，在更高倍数观察可以发现解理断裂形成的解理小平面；
由图5(c)可知，30CrMo试样与图5(b)的断裂位置和形式相似，裂纹在左下角表面的应力集中位置向内扩展最终导致断裂。
(1)液压支架油缸材料27SiMn、30CrMo、30CrMnSi的S—N曲线显示，光滑试样的疲劳性能存在区别，相比之下疲劳性能30CrMnSi>30CrMo>27SiMn。
(2)从液压支架油缸材料27SiMn、30CrMo、30CrMnSi疲劳强度和屈服强度对应关系可以看出，光滑试样的疲劳强度与屈服强度存在正比关系，且3种材料在1×106次循环下的疲劳强度均接近与材料的屈服强度，提高材料的屈服强度可以提高其疲劳性能。
(3)在仅有27SiMn、30CrMo、30CrMnSi选择的情况下，本文建议在3×104、6×104、9×104次寿命下油缸设计应力分别不超过684、669、659 MPa。
(4)从疲劳断口显微组织可以得知，裂纹萌生位置为表面应力集中区，材料的表面状态及表面缺陷严重影响液压支架的疲劳性能，本试验仅从材料光滑试验出发探讨了现有3种材料的疲劳性能，对于有表面焊接结构的油缸的疲劳仍需深入研究。
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