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摘要：液压工程机在工程领域应用非常广泛，其产品质量的可靠性和安全性将为生产建设提供可靠保障。工程机车轮在更换过程中容易发生钢圈断裂的情况，从而会引发安全事故，因此要尽量避免此类事故的发生。文中着重从宏观检查、微观检测、钢圈拉伸试验、钢圈化学成分鉴定等方面分析钢圈断裂失效原因，从而得出断裂的主要原因为钢圈疲劳，锁环表面沟槽圆角处表面存在大量氧化铁杂质，加快了钢圈疲劳速度，加上钢圈生产工艺导致的材质分布不均匀，最终造成钢圈发生疲劳断裂状况。
Abstract： Hydraulic engineering machines are widely used in the engineering field， and the reliability and safety of their product quality will provide a reliable guarantee for production and construction. Construction locomotive wheels are prone to breakage of steel rims during the replacement process， which will cause safety accidents. Therefore， it is necessary to avoid such accidents as much as possible. This article focuses on analyzing the reasons for the failure of the steel ring from the aspects of macroscopic inspection， microscopic inspection， steel ring tensile test， and chemical composition identification of the steel ring. It is concluded that the main cause of the fracture is steel ring fatigue， and the surface of the groove on the surface of the lock ring There are a large amount of iron oxide impurities， which speeds up the fatigue rate of the steel ring， and the uneven material distribution caused by the steel ring production process will eventually cause the steel ring to undergo fatigue fracture.
關键词：工程机车轮;钢圈;断裂;失效性分析
Key words： engineering locomotive wheel;steel ring;fracture;failure analysis
中图分类号：TU621 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0123-02
0 引言
国民经济的发展离不开各种各样的工程机车，尤其是液压工程机车在工程领域应用十分广泛。而机车设备的安全可靠运转是保证安全生产的必要条件。然而由于生产工艺的差异和工作环境的优劣，工程设备的零部件都会不同程度的出现磨损和失效，从而会引发各种意外事故，甚至威胁着运行操作人员的生命安全。因此必须重视设备零部件的失效问题，找出根源，不断改进和完善，提高产品质量。产品失效性分析是质量监督管理的重要环节，在质量鉴定工作中被广泛采纳和应用。本文将通过实例来分析钢圈断裂的原因，从来说明钢圈失效性分析的重要性和必要性。
1 失效性分析概述
失效性分析是广泛应用于各领域的一种重要的方式，是一门发展中的新兴学科。一般根据失效性模式和现象，通过分析和试验，模拟失效性过程，找出失效原因，分析失效的机理。从而为提高产品质量、技术创新、产品修复提供可靠的依据，具有很强的实际意义。一般其分析方法包括有损分析、无损分析、物理分析、化学分析等。失效机制是设备零部件失效的物理或化学过程。导致失效的原因分为内部原因和外部原因，一般从外部原因入手，通过零部件的失效形式入手，进一步研究其内部原因，从而发现规律和机理。通常采用数理统计方法，构成表示失效机制、失效方式、失效频度、失效经济损失之间关系等的排列图，以便找出必须首先要解决的主要失效机制和部位。
2 钢圈断裂分析
2.1 断裂钢圈描述
文中选取实际工程环节中出现断裂的钢圈，该车轮钢圈在拆装检修时发现有一半以上的陈旧性裂纹，且由于使用时间较长，钢圈表面存在不同程度的刮痕和外力导致的沟壑。在拆装更换钢圈时，若车轮内的气体压力较大，钢圈突然承受较大压力，有可能会造成钢圈断裂现场，严重时可能会造成人身安全事故。因此实际生产中需要定期对钢圈进行全面细致的检查和分析，及时消除隐患，保证设备安全可靠运行。 2.2 宏观检查
通过外观测量，钢圈两端外径分别为700mm和650mm，圈体壁厚度为13mm，高度为400mm。断裂处发生在外径较小的一端，即650mm处。裂纹从锁环沟槽底部产生，延伸至钢圈周围，形成两段断裂，一段为大部分的圈体，另一部分为面积较小的环圈。
通过仔细观察环圈的断口，其主要存在以下特征：
①断口处位于钢圈一半以上的老旧断面和小部分新断面之间。老旧断面的断口组织较细小，位于终断面的对面位置，长度约25mm的局部断裂面大致从钢圈外壁到内壁的整个区域是较为平整的细小裂纹。从该区域开始沿着钢圈表面呈现出从低到高的尖状倾斜断面，类似锯齿状的截面。从观察的结果可以看出断裂的发生是从局部向外延伸的，一半以上的断面区域是由于局部受较大应变力而形成的疲劳辉纹。但断口处的钢圈壁厚没有明显变化，因此该断裂面判断为脆性断裂口。
②端口区域存在两处表面较为粗糙的裂纹，剩余部分为剪切塑性变形的滑移断裂特征。从以上断面特征综合分析可以得出该断裂情况属于脆性断裂，是由于钢圈长期疲劳运行，当受到较大外界应变力时而发生了断裂。疲劳源处于终断面对面约30mm长的平坦断口面。通过仔细查阅轮胎尺寸和密封圈装配流程和对钢圈受力的细致分析可知疲劳区域处于钢圈外锁环沟槽的圆角过渡区域。该处受力不均匀，且有可能长期处于运转状态，加之钢圈加工过程中会存在一定程度的杂质，导致该区域容易发生疲劳性断裂现象。在经过以上的初步判断之后，下面将进行更为详尽细致的试验分析。
2.3 力学性能测试
对出现断裂的钢圈进行取样，然后在样品处分别选取两处A点和B点进行拉伸试验，按照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》检测样品的抗拉强度和伸长率。通常用屈服点、抗拉强度和拉伸率对钢材样本进行测试评价。屈服点是指样本在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使不再增加应力，而样本仍会发生明显变形，此时的最小应力值即为屈服点，单位为MPa。抗拉强度是金属由均匀塑變形向局部集中塑性变形过度的临界值。抗拉强度是表示材料最大均匀塑性变形的抗力，单位为MPa。伸长率是指样本在被拉伸断裂后，原始标距的伸长与原始标距之比百分率。通过实验可知A、B两处的屈服点δs分别为330MPa和340MPa，抗拉强度δb分别为510MPa和505MPa，两处的伸长率分别为25%和27%。通过查阅钢圈材质的出厂说明可知，从试验测试得到的数据符合抗拉强度和伸长率的标准要求。因此车轮钢圈在出厂时完全符合相关产品质量要求。
2.4 化学成分分析
按照JB/T7154-93《轮式工程机械车轮用型钢技术条件》要求，工程机车轮钢圈应达到Q235，A级。从实验钢圈上随机挑选实验样本，依据GB/T224《钢铁及合金化学分析方法》进行化学成分的检测和分析。通过化验可知各化学元素含量分别为：碳元素0.13%、硅元素0.38%、锰元素1.21%、磷元素0.020%、硫元素0.024%，各成分含量均符合国标要求。通过力学性能测试和化学成分的分析可以得出该钢圈的材料选取都符合国家标准要求，因此排除了因材料质量原因导致的裂纹。接下来要对试验样本进行更为全面深入的实验分析。
2.5 扫描电镜检查
分别在断裂面的疲劳源区、疲劳扩展区和终断区选取样本，观测断口处的微小特征。在疲劳源区和疲劳扩展区发现了明显的疲劳辉纹现象。终断区粗糙断口呈现脆断特征和滑移切变塑性断口特征。从以上断裂特征可以分析得出此案例中的钢圈断裂确实为疲劳运行所致。下面对导致疲劳的原因进行进一步的研究分析。
2.6 电子金相检查
为了进一步发现疲劳源区的特征，在电镜下对样本进行了截面金相组织检查。存在以下特征：①在疲劳源区的断口处附近存在大量的氧化铁杂质，其分布趋势与断口处保持平行方向，呈片状分布。在锁环沟槽处的圆角表面氧化铁分布明显增多，氧元素和铁元素的含量可达到36%和67%。除此之外还包含少量的硫元素和锰元素，含量基本在0.5-1.0%之间。从元素能谱分析结果可以得出断口处的氧化铁含量极高，这也是前期分析得出钢圈断裂主要是由于断口处的氧化铁等杂质导致的脆性断裂的有力佐证。②对断裂源区的断裂台阶处截面取样分析可知此处同样含有较大比重的氧化铁杂质。该断裂处于钢圈的底部显著分离，也是由于钢圈疲劳运转造成的断裂现象，且造成该断裂的主要原因也是较高含量的氧化铁成分加剧了材质本身疲劳的速度，减少了钢圈运行寿命，最后因积累效应导致脆性断裂。金属材料在生产加工过程中由于工艺水平的不同和生产环境的优劣，会夹杂各种杂质。这些杂质的存在不仅破坏了材料本身的连续均匀分布，同时也使材料在受到外界应力时不能均匀分散外力，造成受力不均匀，各点受到的压强就会不同，这样大大降低了材料的抵抗力。这种情况随着时间积累产生的冲量作用，在材料运行过程中就会在某一时刻突然发生变形或者断裂。这种断裂通常会沿着杂质与周围基体之间的交界面发生，从而形成疲劳裂纹。③在钢圈断裂处的截面上有一条状夹层带，颜色较深。通过化学分析可知该夹层带主要化学成分为碳，这说明钢圈材质具有不均匀性，这对车轮钢圈的强度和抗疲劳性有很大影响。通过电金相检查可以得知钢圈锁环圆角区域从表面向钢圈内部分布的氧化铁杂质是造成钢圈断裂的直接原因。同时由于钢圈材质分布不均匀，当发生断裂时裂纹会延着碳含量较高的夹层带扩散，最终导致钢圈发生脆性断裂。
3 改进措施和建议
①科学选取原材料。钢圈材料的优劣直接决定了钢圈的寿命，因此在选用生产材料时要严格把关，要遵守国家质量监督管理部门的法律法规，解决杜绝劣质产品。②改进生产工艺。随着工程实际的需要，钢圈要适应越来越复杂的工作环境，因此要不断改革创新，改进生产工艺，最大程度降低材料的杂质含量，提高钢圈的抗拉伸能力。在钢圈的制造和装配过程中都要严格遵守生产规程，减少次品概率，并在出厂在之前要进行严格的抗拉伸试验和质量监督管理。③重视维护和保养。在工程实际中要注意车轮使用的环境，避免撞击影响钢圈安全的硬物，避免于外面发生猛烈撞击，减少恶劣环境的使用频率。同时要定期对车轮钢圈进行检查和养护，及时清理附着物。对已经产生的划痕或裂纹要进行及时修复。在车轮进行拆装更换时，要先进行泄压，防止轮胎内压对有裂纹的钢圈造成突然的外力而导致钢圈断裂。
4 结论
通过以上试验结果可知，断裂钢圈的壁厚截面上存在一条颜色较深的夹层带，该夹层带的主要化学成分为碳元素，是一条金属组织带，这表明钢圈材质不均匀。钢圈的断裂是由于钢圈长期运转，在疲劳状态下受到外界应变力而发生的脆性断裂。疲劳源位于钢圈沟槽锁环圆角处。通过化学成分的分析可知该圆角区域的氧化铁含量非常高。在钢圈遭受外界压力时，裂纹从圆角区域表面向钢圈内部延伸扩展，随着压力作用时间的不断积累，最终导致了大面积的断裂现象。
因此车轮钢圈在实际生产中一方面要保证材料本身的质量，不断改进和优化生产工艺，减少杂质的存在，保证钢圈的出厂质量。另一方面要定期对钢圈进行检查和保养，及时发现隐患，避免断裂事故的发生。
参考文献：
[1]陈南平，顾守仁，沈万慈.机械零件失效分析[M].北京：清华大学出版社，1988.
[2]王金星，张力，梁红.齿轮轴失效分析[J].材料导报，2007，21（5A）：490-491.
[3]姜树成，李晓军，潘建华. 液压工程车轮钢圈失效分析[J].液压气动与密封，2008（05）：50-53.
Abstract： Hydraulic engineering machines are widely used in the engineering field， and the reliability and safety of their product quality will provide a reliable guarantee for production and construction. Construction locomotive wheels are prone to breakage of steel rims during the replacement process， which will cause safety accidents. Therefore， it is necessary to avoid such accidents as much as possible. This article focuses on analyzing the reasons for the failure of the steel ring from the aspects of macroscopic inspection， microscopic inspection， steel ring tensile test， and chemical composition identification of the steel ring. It is concluded that the main cause of the fracture is steel ring fatigue， and the surface of the groove on the surface of the lock ring There are a large amount of iron oxide impurities， which speeds up the fatigue rate of the steel ring， and the uneven material distribution caused by the steel ring production process will eventually cause the steel ring to undergo fatigue fracture.
關键词：工程机车轮;钢圈;断裂;失效性分析
Key words： engineering locomotive wheel;steel ring;fracture;failure analysis
中图分类号：TU621 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0123-02
0 引言
国民经济的发展离不开各种各样的工程机车，尤其是液压工程机车在工程领域应用十分广泛。而机车设备的安全可靠运转是保证安全生产的必要条件。然而由于生产工艺的差异和工作环境的优劣，工程设备的零部件都会不同程度的出现磨损和失效，从而会引发各种意外事故，甚至威胁着运行操作人员的生命安全。因此必须重视设备零部件的失效问题，找出根源，不断改进和完善，提高产品质量。产品失效性分析是质量监督管理的重要环节，在质量鉴定工作中被广泛采纳和应用。本文将通过实例来分析钢圈断裂的原因，从来说明钢圈失效性分析的重要性和必要性。
1 失效性分析概述
失效性分析是广泛应用于各领域的一种重要的方式，是一门发展中的新兴学科。一般根据失效性模式和现象，通过分析和试验，模拟失效性过程，找出失效原因，分析失效的机理。从而为提高产品质量、技术创新、产品修复提供可靠的依据，具有很强的实际意义。一般其分析方法包括有损分析、无损分析、物理分析、化学分析等。失效机制是设备零部件失效的物理或化学过程。导致失效的原因分为内部原因和外部原因，一般从外部原因入手，通过零部件的失效形式入手，进一步研究其内部原因，从而发现规律和机理。通常采用数理统计方法，构成表示失效机制、失效方式、失效频度、失效经济损失之间关系等的排列图，以便找出必须首先要解决的主要失效机制和部位。
2 钢圈断裂分析
2.1 断裂钢圈描述
文中选取实际工程环节中出现断裂的钢圈，该车轮钢圈在拆装检修时发现有一半以上的陈旧性裂纹，且由于使用时间较长，钢圈表面存在不同程度的刮痕和外力导致的沟壑。在拆装更换钢圈时，若车轮内的气体压力较大，钢圈突然承受较大压力，有可能会造成钢圈断裂现场，严重时可能会造成人身安全事故。因此实际生产中需要定期对钢圈进行全面细致的检查和分析，及时消除隐患，保证设备安全可靠运行。 2.2 宏观检查
通过外观测量，钢圈两端外径分别为700mm和650mm，圈体壁厚度为13mm，高度为400mm。断裂处发生在外径较小的一端，即650mm处。裂纹从锁环沟槽底部产生，延伸至钢圈周围，形成两段断裂，一段为大部分的圈体，另一部分为面积较小的环圈。
通过仔细观察环圈的断口，其主要存在以下特征：
①断口处位于钢圈一半以上的老旧断面和小部分新断面之间。老旧断面的断口组织较细小，位于终断面的对面位置，长度约25mm的局部断裂面大致从钢圈外壁到内壁的整个区域是较为平整的细小裂纹。从该区域开始沿着钢圈表面呈现出从低到高的尖状倾斜断面，类似锯齿状的截面。从观察的结果可以看出断裂的发生是从局部向外延伸的，一半以上的断面区域是由于局部受较大应变力而形成的疲劳辉纹。但断口处的钢圈壁厚没有明显变化，因此该断裂面判断为脆性断裂口。
②端口区域存在两处表面较为粗糙的裂纹，剩余部分为剪切塑性变形的滑移断裂特征。从以上断面特征综合分析可以得出该断裂情况属于脆性断裂，是由于钢圈长期疲劳运行，当受到较大外界应变力时而发生了断裂。疲劳源处于终断面对面约30mm长的平坦断口面。通过仔细查阅轮胎尺寸和密封圈装配流程和对钢圈受力的细致分析可知疲劳区域处于钢圈外锁环沟槽的圆角过渡区域。该处受力不均匀，且有可能长期处于运转状态，加之钢圈加工过程中会存在一定程度的杂质，导致该区域容易发生疲劳性断裂现象。在经过以上的初步判断之后，下面将进行更为详尽细致的试验分析。
2.3 力学性能测试
对出现断裂的钢圈进行取样，然后在样品处分别选取两处A点和B点进行拉伸试验，按照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》检测样品的抗拉强度和伸长率。通常用屈服点、抗拉强度和拉伸率对钢材样本进行测试评价。屈服点是指样本在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使不再增加应力，而样本仍会发生明显变形，此时的最小应力值即为屈服点，单位为MPa。抗拉强度是金属由均匀塑變形向局部集中塑性变形过度的临界值。抗拉强度是表示材料最大均匀塑性变形的抗力，单位为MPa。伸长率是指样本在被拉伸断裂后，原始标距的伸长与原始标距之比百分率。通过实验可知A、B两处的屈服点δs分别为330MPa和340MPa，抗拉强度δb分别为510MPa和505MPa，两处的伸长率分别为25%和27%。通过查阅钢圈材质的出厂说明可知，从试验测试得到的数据符合抗拉强度和伸长率的标准要求。因此车轮钢圈在出厂时完全符合相关产品质量要求。
2.4 化学成分分析
按照JB/T7154-93《轮式工程机械车轮用型钢技术条件》要求，工程机车轮钢圈应达到Q235，A级。从实验钢圈上随机挑选实验样本，依据GB/T224《钢铁及合金化学分析方法》进行化学成分的检测和分析。通过化验可知各化学元素含量分别为：碳元素0.13%、硅元素0.38%、锰元素1.21%、磷元素0.020%、硫元素0.024%，各成分含量均符合国标要求。通过力学性能测试和化学成分的分析可以得出该钢圈的材料选取都符合国家标准要求，因此排除了因材料质量原因导致的裂纹。接下来要对试验样本进行更为全面深入的实验分析。
2.5 扫描电镜检查
分别在断裂面的疲劳源区、疲劳扩展区和终断区选取样本，观测断口处的微小特征。在疲劳源区和疲劳扩展区发现了明显的疲劳辉纹现象。终断区粗糙断口呈现脆断特征和滑移切变塑性断口特征。从以上断裂特征可以分析得出此案例中的钢圈断裂确实为疲劳运行所致。下面对导致疲劳的原因进行进一步的研究分析。
2.6 电子金相检查
为了进一步发现疲劳源区的特征，在电镜下对样本进行了截面金相组织检查。存在以下特征：①在疲劳源区的断口处附近存在大量的氧化铁杂质，其分布趋势与断口处保持平行方向，呈片状分布。在锁环沟槽处的圆角表面氧化铁分布明显增多，氧元素和铁元素的含量可达到36%和67%。除此之外还包含少量的硫元素和锰元素，含量基本在0.5-1.0%之间。从元素能谱分析结果可以得出断口处的氧化铁含量极高，这也是前期分析得出钢圈断裂主要是由于断口处的氧化铁等杂质导致的脆性断裂的有力佐证。②对断裂源区的断裂台阶处截面取样分析可知此处同样含有较大比重的氧化铁杂质。该断裂处于钢圈的底部显著分离，也是由于钢圈疲劳运转造成的断裂现象，且造成该断裂的主要原因也是较高含量的氧化铁成分加剧了材质本身疲劳的速度，减少了钢圈运行寿命，最后因积累效应导致脆性断裂。金属材料在生产加工过程中由于工艺水平的不同和生产环境的优劣，会夹杂各种杂质。这些杂质的存在不仅破坏了材料本身的连续均匀分布，同时也使材料在受到外界应力时不能均匀分散外力，造成受力不均匀，各点受到的压强就会不同，这样大大降低了材料的抵抗力。这种情况随着时间积累产生的冲量作用，在材料运行过程中就会在某一时刻突然发生变形或者断裂。这种断裂通常会沿着杂质与周围基体之间的交界面发生，从而形成疲劳裂纹。③在钢圈断裂处的截面上有一条状夹层带，颜色较深。通过化学分析可知该夹层带主要化学成分为碳，这说明钢圈材质具有不均匀性，这对车轮钢圈的强度和抗疲劳性有很大影响。通过电金相检查可以得知钢圈锁环圆角区域从表面向钢圈内部分布的氧化铁杂质是造成钢圈断裂的直接原因。同时由于钢圈材质分布不均匀，当发生断裂时裂纹会延着碳含量较高的夹层带扩散，最终导致钢圈发生脆性断裂。
3 改进措施和建议
①科学选取原材料。钢圈材料的优劣直接决定了钢圈的寿命，因此在选用生产材料时要严格把关，要遵守国家质量监督管理部门的法律法规，解决杜绝劣质产品。②改进生产工艺。随着工程实际的需要，钢圈要适应越来越复杂的工作环境，因此要不断改革创新，改进生产工艺，最大程度降低材料的杂质含量，提高钢圈的抗拉伸能力。在钢圈的制造和装配过程中都要严格遵守生产规程，减少次品概率，并在出厂在之前要进行严格的抗拉伸试验和质量监督管理。③重视维护和保养。在工程实际中要注意车轮使用的环境，避免撞击影响钢圈安全的硬物，避免于外面发生猛烈撞击，减少恶劣环境的使用频率。同时要定期对车轮钢圈进行检查和养护，及时清理附着物。对已经产生的划痕或裂纹要进行及时修复。在车轮进行拆装更换时，要先进行泄压，防止轮胎内压对有裂纹的钢圈造成突然的外力而导致钢圈断裂。
4 结论
通过以上试验结果可知，断裂钢圈的壁厚截面上存在一条颜色较深的夹层带，该夹层带的主要化学成分为碳元素，是一条金属组织带，这表明钢圈材质不均匀。钢圈的断裂是由于钢圈长期运转，在疲劳状态下受到外界应变力而发生的脆性断裂。疲劳源位于钢圈沟槽锁环圆角处。通过化学成分的分析可知该圆角区域的氧化铁含量非常高。在钢圈遭受外界压力时，裂纹从圆角区域表面向钢圈内部延伸扩展，随着压力作用时间的不断积累，最终导致了大面积的断裂现象。
因此车轮钢圈在实际生产中一方面要保证材料本身的质量，不断改进和优化生产工艺，减少杂质的存在，保证钢圈的出厂质量。另一方面要定期对钢圈进行检查和保养，及时发现隐患，避免断裂事故的发生。
参考文献：
[1]陈南平，顾守仁，沈万慈.机械零件失效分析[M].北京：清华大学出版社，1988.
[2]王金星，张力，梁红.齿轮轴失效分析[J].材料导报，2007，21（5A）：490-491.
[3]姜树成，李晓军，潘建华. 液压工程车轮钢圈失效分析[J].液压气动与密封，2008（05）：50-53.