60HP拖拉机动力输出轴断裂原因分析

同济大学经济与管理学院 （上海 200092）张 庆

近期，我公司新研制的60HP两轮驱动拖拉机，在田间作旋耕试验时，动力输出轴发生了4次折断的现象（见图1）。动力输出轴是实现将拖拉机的动力向农机具传递的关键部件，如果该问题不能解决，将影响该型车的研制及投产。

图1

1.背景信息

共断4 次，使用时间及工况见表1。

表1

动力输出轴断时，拖拉机正进行旋耕作业，在农田的中间，未在田头的转弯处（见图 2）。

图2

图样材料技术要求：20NC6或18NCD6、20CrNi3H，硬度为58～61HRC，渗碳深度为0.7～1mm；实际使用材料20MnCr5（化学成分见表2），标准参见 DIN EN 10084，心部硬度为30～45HRC。

表2 20MnCr5化学成分（质量分数） （%）

该拖拉机设计功率为60HP，采用三点液压提升装置。旋耕的特点是负荷波动大，容易产生超载导致断轴。

2.检查及检测

（1）工况检查 对现场操作了调查并摄像。经反复观察，拖拉机处于正常操作及工作状态，田间没有发现硬的异物。万向节及传动轴上没有多少缠绕的作物及杂草等非正常异物。

（2）尺寸检查 动力输出轴颈处R52mm值（见图3），实物检查为只有32mm，不符合要求。其他实物尺寸与图样相符。

图3

（3）材料检查 化学成分检查见表3，检查结果显示，实物与图样标准不符合。

表3 实际检验化学成分（质量分数） （%）

硬度及表面硬度分布检查。表面硬度及分布见表4，可见表面硬度符合图样要求，而渗碳层深度（见表5）不合格。心部硬度见表6，符合要求。

表4 表面硬度检测 （HRC）

表5 渗碳层深度检测

图4

表6 心部硬度检测 （HRC）

金相检查，渗碳层组织要求为回火马氏体和10%～30%的残留奥氏本组成，实际上没有发现残留奥氏体（见图5），不合格。

图5

心部组织应为回火马氏体及少量的非马氏体组织，实际上出现了大量的非马氏体组织、贝氏体及铁素体（见图6）。

图6

对断口部位检查，断口见图7a，裂纹源部位见图7b，裂纹源尾部见图7c。

图7

3.结果分析

（1）背景、工况分析 公司其他产品的动力输出轴在旋耕作业时也出现过折断现象，这与田间作业时负荷大、复杂的特点直接相关。本次田间作业环境、地况正常，且动力输出轴和提升装置位置的使用情况与其他机型差别不大，不应是折断的主要因素。

（2）尺寸分析 动力输出轴、万向节和提升装置与农机安装具的尺寸及设计是否正确，没有得到国外设计者的反馈信息及确认，有待于求证。

（3）材料分析 供应商使用了不同的材料。根据EN10084-2008，材料交付使用情况的渗碳层深要求，图样材料牌号 20NC6（等价材料为18NiCr5-4）与 20CrMn（等价材料 20MnCr5）淬硬性及淬透性相当，见表7。实物材料的淬硬性及淬透性能符合图样材料要求。

（4）硬度分析 表面硬度、心部硬度及其分布符合要求，而渗层深度超差仅0.08mm，不是动力输出轴折断原因。

表7

（5）金相组织分析 渗层残留奥氏体含量很少，远低于图样要求。对于残留奥氏体含量，国内热处理同行一般认为可以越少越好，而且可以采取措施来减少它。所以，对这个数值有争议，但是其不是造成动力输出轴断的主因。

心部组织，非马氏体含量较多不合适，因为心部硬度是动力输出轴强度的决定因素。

（6）断口分析 宏观断口粗糙，是一次性折断，非疲劳失效；在SEM视场内，裂纹源位置出现的是沿晶断裂形态，在裂纹源尾部出现的主要是韧窝形态。而且，从化学成分和SEM图片看，材料纯净度高，夹杂物少，未见异常。

（7）加工工艺 流程为：材料检验→外协检验→正火→粗车→精车→滚花键→滚矩形花键→铣槽→钻油孔→热处理→热检→抛丸→研孔→校直→攻螺纹→磨外圆→成品。生产工艺安排是标准的。

（8）热处理工艺 见图8。针对热处理结果，840℃等温和80℃油冷，可以作些调整。

图8

（9）综合分析 动力输出轴的使用工况条件没有发现异常，在正常作业中，一次性出现了扭断，没有疲劳；旋耕的负荷大，需要内在综合性能更好；动力输出轴的强度应该再加强些，从扭断情况及金相图片看，问题可能出在针对现有材料的热处理组织上，需要以综合性能好的板条马氏体为主，非马氏体组织再少些；材料是典型的低碳马氏体钢，应该通过热处理充分得到该钢的设计组织及材料性能；万向节、三点悬挂等安装位置、尺寸的影响因素，没有得到设计者的分析确认。

从目前掌握情况看，动力输出轴的断裂主要是热处理工艺引起的。

4.建议和改进措施

建议在此基础上进行试验、跟踪、验证，不断改善零件质量。与供应商沟通定制热处理工艺，与其他渗碳零件工艺差异化；如果现在热处理设备及工艺能力不能达到材料组织要求，考虑采用淬硬性和淬透性更好的材料，如18NCD6或20CRNI3H；与设计者沟通，关注安装调整位置尺寸因素，减少径向分负荷的风险。