KX84系列牙轮钻头的牙爪疲劳裂纹

伊哲锋 张维 杨九香 曾晓东 裴中林 刘冰 张宇

【摘 要】KX84系列牙爪大跑道最主要的失效形式时接触疲劳。根据接触面半宽b确定疲劳裂纹深度。KX84-250牙轮钻头疲劳裂纹的理论深度为深度0.27mm（实际0.28mm）。而KX84-310牙轮钻头的疲劳裂纹理论深度0.34mm（实际0.38mm）。

【关键词】裂纹;接触面半宽;接触疲劳

Abstract：The main failure form of the raceway of leg of KX 84 series roller cone bit is contact fatigue. The depth of fatigue crack initiation was determined by calculating the half width b of the contact surface. Among them，the theoretical depth of fatigue crack of KX84-250 roller cone bit is 0.27 mm（actual depth 0.28 mm）. For KX84-310 roller cone bit，the theoretical depth and the actual depth are 0.34mm and 0.38 mm respectively.

Key words：Crack;Half width;Contact fatigue

一绪论

KX84系列牙轮钻头因较高性价比而应用于采矿行业。牙轮钻头主要失效形式是接触疲劳（1，2）。周霆伟（3）发现，白层组织无法阻止疲劳裂纹扩展。李青（4）发现，轴承表面塑性流动容易引发疲劳裂纹扩展。因此，研究接触疲劳必须分析疲劳裂纹。

二实验方法

对牙爪大跑道进行线切割，利用4%硝酸酒精腐蚀，在Olympus BX-51金相显微镜观察纵深度裂纹。利用IMCE对牙爪20CrMo和滚柱55SiMoV进行弹性模量测试。

三结果分析

“牙爪大跑道——滚柱”轴承系统的受力分析如图1。

牙轮钻头含有三个牙爪，因此

P为13.79MPa轴压，D为转轴直径（250mm，KX84-250;310mm，KX84-310）。

“牙爪大跑道——滚柱”承受70%的应力，接触面积2bl。b为接触面半宽，l为接触线的长度（lKX84-250=28mm，lKX84-310=32mm）。

D1为牙爪大跑道的直径（D1-KX84-250=62mm，D1-KX84-310=82mm），D2为滚柱直径（D2-KX84-250=14mm，D2-KX84-310=16mm）。E1为牙爪材料20CrMo的弹性模量（205GPa-210GPa），E2为滚柱材料55SiMoV的弹性模量（210GPa-215 GPa）。

四裂纹分析

在0.5b深度处，疲劳裂纹容易萌生（5）（图2）。

在KX84-250的0.28mm深度处发现了疲劳裂纹，而KX84-250的0.5b为0.27mm。同样，对于KX84-310合金，计算深度（0.5b）为0.34mm，实际深度为0.38mm。计算结果与实际相符。裂纹产生形成剥落凹坑，剥落到3-5mm时钻头报废。

五结论

KX84系列牙轮钻的牙爪大跑道的失效形式时接触疲劳。KX84-250牙爪大跑道的疲劳裂纹深度为0.27mm，实际观察结果为0.28mm。而KX84-310牙轮钻头的疲劳裂纹深度，计算深度为0.34mm，实际深度为0.38mm。计算结果与实际结果相符。

参考文献：

[1]F. Sadeghi etal. A Review of Rolling Contact Fatigue. Journal of Tribology，2009，131;041403

[2]吴志伟等.高合金表面硬化轴承钢滚动接触疲劳行为研究.表面技术. 2021：1-15.

[3]周霆伟等.原始组织对高速车轮钢滚滑接触疲劳磨损性能的影响. 材料热处理学报. 2020;41：110-7.

[4]李青等.航空發动机球轴承外圈剥落机理分析.航空发动机，2020，46：10.

[5]束德林.工程材料力学性能.机械工业出版社.北京：机械工业出版社.2007：1-10

基金项目：

辽宁科技学院大学生创新创业训练计划（202011430081）

（作者单位：辽宁科技学院）