某油田的2500型壓裂車的泵總承服役一段時(shí)間后出現(xiàn)異常，拆解后發(fā)現(xiàn)泵總承吸入端第二缸的連桿斷裂。連桿材料為7A09(對(duì)應(yīng)的老牌號(hào)為L(zhǎng)C9)高強(qiáng)度鋁合金，累計(jì)使用時(shí)間約350h，設(shè)計(jì)壽命2萬h。為查找連桿的斷裂原因，我們對(duì)其進(jìn)行了解剖分析。

1.物理和化學(xué)分析

(1)斷裂分析

根據(jù)斷裂連桿的宏觀斷裂形貌，發(fā)現(xiàn)失效連桿的斷裂呈現(xiàn)三種斷裂特征，可分為一次疲勞斷裂、二次疲勞斷裂和三次脆性斷裂。

主疲勞斷口沿油孔方向擴(kuò)展，呈現(xiàn)典型的疲勞斷裂特征。連桿剖開后的一次疲勞斷裂斷口形貌從擴(kuò)展區(qū)的反方向可以看出，裂紋源區(qū)位于鋁合金連桿一端中心油孔處，設(shè)計(jì)倒角為R6.35mm，實(shí)際上沒有倒角，油孔直角處形成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，成為一次疲勞斷裂的裂紋源。同時(shí)，斷裂表明，油孔兩側(cè)的疲勞擴(kuò)展區(qū)分布不均勻，油孔一側(cè)的疲勞源區(qū)向直角方向傾斜。

二次疲勞斷裂位于幾何尺寸突變后連桿下端面有效截面積小的位置。斷裂方向垂直于主疲勞斷裂，斷裂由疲勞源區(qū)，擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，組成，也呈現(xiàn)典型的疲勞斷裂特征。從斷口可以看出，疲勞源區(qū)也指向油孔的一側(cè)，與主疲勞裂紋源在同一側(cè);疲勞擴(kuò)展區(qū)約占連桿單側(cè)截面積的2/3，瞬斷區(qū)約占1/3。

第三級(jí)斷裂是脆性斷裂，是低塑性材料承受壓應(yīng)力時(shí)形成的典型破壞斷裂。裂縫和油孔方向略大于45，表現(xiàn)出過載斷裂特征。此外，有些骨折還留下了撞擊痕跡。

(2)力學(xué)性能測(cè)試

通過取樣對(duì)連桿的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，連桿的抗拉強(qiáng)度為556兆帕，屈服強(qiáng)度為486兆帕，延伸率為7.5%。數(shù)據(jù)表明，連桿的力學(xué)性能符合GB/T3380.2-2012中7A09的要求。

2.討論和分析

(1)連桿受力仿真分析

正常工況下，在單個(gè)循環(huán)中，連桿的上端面和下端面是平衡的，共同承受來自曲軸的輸出壓應(yīng)力和旋轉(zhuǎn)拉應(yīng)力，連桿輸出動(dòng)力時(shí)的壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于旋轉(zhuǎn)時(shí)的拉應(yīng)力。在這次事件中，從連桿的斷裂及其斷裂形式推斷，在單個(gè)循環(huán)中，當(dāng)輸出動(dòng)力時(shí)，連桿的上下端面被壓縮在一起;連桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，拉應(yīng)力主要由連桿下端面承受。因此推斷連桿上下端面的平衡應(yīng)力發(fā)生了變化，兩者之間形成了應(yīng)力差。隨著服役時(shí)間的增加，應(yīng)力差不斷積累疊加，成為初生裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力;連桿下端面的拉壓循環(huán)應(yīng)力成為二次裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)，連桿兩個(gè)疲勞斷裂的裂紋源分布在油孔的同一側(cè)，靠近裂紋源一側(cè)的工作應(yīng)力略大于另一側(cè)，這也說明連桿水平截面上的應(yīng)力分布不均勻。

可以看出，斷裂連桿的整體應(yīng)力狀態(tài)在這次事件中發(fā)生了變化，上下端面之間形成了應(yīng)力差，上端面主要承受壓應(yīng)力，下端面承受拉壓循環(huán)應(yīng)力。

(2)連桿斷裂過程分析

從連桿的斷裂分析和應(yīng)力模擬分析可以看出，在這種情況下，連桿的上下端面產(chǎn)生了應(yīng)力差。經(jīng)過反復(fù)積累和疊加，在連接鋁合金連桿和十字頭的一側(cè)油孔的直角處形成應(yīng)力集中，成為一次斷裂的疲勞源區(qū)。隨著服役，在應(yīng)力差的作用下，疲勞裂紋向另一端a擴(kuò)展

連桿下端面斷裂后，在下一個(gè)工作循環(huán)中，上端面承受全部工作應(yīng)力。此時(shí)有效承載面積減少到原來的1/2，而輸出壓應(yīng)力保持不變。因此，連桿上端面的單位工作壓應(yīng)力大于材料的許用應(yīng)力，與油孔方向形成略大于45的第三次脆性斷裂。在連桿斷裂和停止的過程中，斷裂的連桿在箱體內(nèi)旋轉(zhuǎn)碰撞，導(dǎo)致連桿中部碰撞成多個(gè)小塊，在斷口上留下碰撞痕跡。

(3)討論分析

從力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可以看出，連桿的性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，可以消除材料強(qiáng)度不足導(dǎo)致連桿斷裂的因素。

正常情況下，當(dāng)連桿運(yùn)動(dòng)到水平面時(shí)，連桿、十字頭和小連桿的中心線與曲軸的中心線重合，處于平衡位置，連桿承受全部載荷。相反，當(dāng)與十字頭連接的連桿一端異常偏離平衡位置時(shí)，接頭偏離中心線，在重力作用下下沉，會(huì)造成連桿上下端面的應(yīng)力差。由此推斷，連桿斷裂的原因是連桿與十字頭之間的連接端異常，偏離中心線，改變了連桿的應(yīng)力狀態(tài)，在連桿油孔的直角處形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致連桿的失效。

3.結(jié)論和建議

(1)鋁合金連桿斷裂屬于早期疲勞斷裂。

(2)連桿與十字頭之間的連接端異常，偏離平衡位置，導(dǎo)致連桿受力不均，是連桿斷裂的主要原因。

(3)連桿油孔端部直角過渡形成的應(yīng)力集中加速了連桿的早期失效，是連桿斷裂的次要原因。

(4)連桿上的油孔端部按設(shè)計(jì)要求倒圓過渡，以減少應(yīng)力集中，延長(zhǎng)連桿的使用壽命。