连杆螺栓疲劳断裂原因的分析

根据上述分析，此次发生空压机零部件断裂的一个重要原因是该空压机使用时间过长，在前几次的维修过程中并没有更换连杆螺栓，使该螺栓工作时间达到30 年之久发生疲劳断裂。应该说这件连杆螺栓已经达到了设计标准。

但是这种解释不能说明在此空压机上有两颗连杆螺栓，为什么其中一颗会发生疲劳断裂而另外一颗却没有发生疲劳断裂？也不能解释为什么其他两台空压机与发生故障的空压机基本是同一时期投入使用，甚至其中一台空压机的使用时间比发生故障的空压机还要长，但是这两台空压机的连杆螺栓均没有发生疲劳断裂？因此发生疲劳断裂的连杆螺栓应该有其他原因。根据对这颗连杆螺栓全面检测，总结得出以下原因：

1）疲劳断裂连杆螺栓实际承受载荷过大

根据理论计算结果，连杆螺栓在设计要求中承受的应力为172 MPa，但是利用材料学理论对该连杆螺栓实际受力进行粗略估算，该连杆螺栓受到的实际应力达到310 MPa，因此发生疲劳断裂。实际应力估算原理如下：

由于连杆螺栓是疲劳断裂，根据疲劳断裂理论可以将断口分成3 个区域：疲劳源、疲劳扩展区、瞬时断裂区域。疲劳裂纹产生后，在交变应力作用下裂纹不断扩展，产生疲劳扩展区域。随疲劳过程进行，扩展区面积越来越大，连杆螺栓剩余面积越来越小，单位面积上受到的应力就不断增加。一旦达到材料断裂强度就发生瞬时断裂，所以产生瞬时断裂区域。因此瞬时断裂区域面积与材料抗拉强度的乘积，可以粗略被认为工作状态下连杆螺栓受到的外力。只要能测定出瞬时断裂区域的面积与断裂连杆螺栓的抗拉强度，就可以估算连杆螺栓受到的应力。瞬时断裂区域面积按照下面方法进行计算。

连杆螺栓疲劳断口见图5-81。从图5-81 中可以明显区分出瞬时断裂区域。将该照片中瞬时断裂区域部分裁剪下来称其重量。然后再称出整个断口照片的重量，比值就是瞬时断裂区域占整个面积的比例。根据螺栓的直径就可以计算出瞬时断裂区域的面积。计算结果如下：

根据称重方法测定出瞬时断裂区域占总面积的32.7%。

连杆螺栓直径为36 mm，总面积为1 017.36 mm2，瞬时断裂区面积为332.67 mm2。

测出该连杆螺栓强度是952 MPa，所以连杆螺栓工作状态下外力为316 708.2 N。

估算出：该连杆螺栓工作状态下应力为311 MPa。

说明：由于连杆螺栓是在裂纹状态下拉伸断裂，而是用光滑样品测定的强度。同时断口也并非是一个平面，所以求出的载荷会有一定误差。

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图5-81　断裂连杆螺栓疲劳断口照片

为什么这颗连杆螺栓受到实际应力会高于设计应力？对试验结果进行分析可以总结出下面原因：

（1）在加工连杆螺栓端头平面时，该平面上有一条明显的加工刀痕，见图5-69（d）。同时该连杆螺栓加工平面比其他连杆螺栓多加工深度约 0.5 mm，使加工平面基本与连杆螺栓36 mm 的圆柱相切。由于加工刀痕的存在，在连杆受力过程中会在刀痕处产生应力集中。资料介绍不同表面状态对疲劳极限的影响甚至达到7～8 倍之多。值得注意的是：连杆螺栓的疲劳源就在加工刀痕的位置，充分说明该加工刀痕对连杆螺栓疲劳裂纹的萌生有重要影响。由于加工平面与圆柱相切，会增加了该处的弯曲应力。

（2）在空压机安装过程中，按照设计规范对连杆螺栓的预紧力有严格规定。如果预紧力太小，连杆螺栓易松动，会发生事故。预紧力如果过大就会增大螺栓工作状态下的应力，容易发生过载现象。据了解在空压机安装过程中对预紧力没有进行必要测定，只是用特定扳手再加上一根特定套管用力扳紧为止。这样有可能造成预紧力过大使螺栓实际受到的应力过大。

2）材料中夹杂物影响

在金相分析观察中已经明确看到，发生疲劳断裂的连杆螺栓组织中存在较多的硫化物与氧化物夹杂，用扫描电镜观察疲劳断口，在疲劳源与疲劳扩展区域均能观察到较多的夹杂物。充分说明在这颗连杆螺栓中有较多的夹杂物处在螺栓受应力最大的螺栓根部，在外加载荷作用下，夹杂物处萌生疲劳裂纹降低了疲劳性能。夹杂物会降低材料疲劳性能的原因，可以根据疲劳断裂机理进行分析。

根据材料疲劳断裂机理研究可以认为：疲劳裂纹的产生是在交变载荷作用下位错发生滑移，通过滑移在特殊区域产生滑移带。随应力循环次数的增多，这些特殊区域产生的滑移带变宽、加深，最后发展成疲劳裂纹。而在其他区域很少出现滑移带。这就是疲劳过程中滑移的不均匀性。目前已经明确在夹杂物处，就是非常容易产生滑移带的特殊区域，所以大量夹杂物的存在对疲劳寿命一定会产生非常不利的影响。

应该说明的是：疲劳断裂的连杆螺栓表面有加工刀痕、存在较多的夹杂物等降低疲劳寿命的因素，但是该螺栓仍然长时间使用才发生疲劳断裂。其原因是在空压机设计中对材料安全系数的取值相当大，即使该连杆螺栓实际载荷已超过设计载荷、存在夹杂物等缺陷仍能够长时间工作。

3）连杆螺栓寿命估算

据气站的技术人员介绍，一台空压机每年大约工作1 000 h。因为空压机转速为375 r/min。因此运转10 年连杆螺栓受到交变载荷的次数为2.25×108。

根据分析选取样品进行了模拟试验。在疲劳曲线可以看到在400 MPa 应力状态，样品经过2.1×108 次循环没有发生断裂，可以近似认为即使连杆螺栓超载到400 MPa，粗略估算运行10 年应不会出现疲劳断裂（应该说明这种估算是较粗略的）。