摘要：针对矿用液压支架连接头使用不久断裂的问题，对连接头进行了各种理化分析并且在与同种类型产品的相互比较下，找出连接头断裂的原因，并结合分析结果，提出连接头在热处理工艺和设计方面的优化措施，以此改善连接头性能，降低失效率。改进后的连接件，经过使用反馈，确定其能够满足现场的工作需求，应用前景良好。
关键词：连接头;断裂机理;液压支架
1.概述
铸造业是制造业的重要组成部分，是关系国民生计的重要行业。铸造技术在石化、电力、造船、钢铁、汽车装备制造、纺织等支柱产业中应用广泛。我国在铸造技术领域的研究不断趋近国际先进水平，但转化为现实生产力的少，行业整体技术水平落后[1]。矿用液压支架用铸钢件连接头，连接了液压支架与刮板运输机，是推溜和拉架是主要受力部件[2-3]。以伊泰宝山液压支架为例，使用一段时间后，断裂连接头的比率高达44.4%，给安全生产带来了极大的隐患。国内外学者对连接头的断裂原因作过相应的分析，郝玲[4]用三维建模和有限元软件对液压支架连接头进行分析，确定应力和应变的变化状况，在特种工况下从结构上对连接头优化设计。汤国强[5]从化学成分上分析连接头的断裂原因，提出淬火后延长保温时间的工艺措施。李晓霞[6]针对连接头铸造裂纹产生机理进行研究，并对热处理工艺进行改进，效果良好。为保证安全生产，在对断裂连接头进行对比、检测的基础上，找到连接接头断裂的原因，从而适当调整热处理工艺、优化设计，避免连接头断裂现象的发生。
2.断裂连接头分析
2.1化学成分组成
钢液品质方面，在现有设备下进行了严格的控制。检测样品为原材料经过分拣、炉前经过检测的标准溶液试样，检测设备为直读光谱仪。按照GB/T-1987《冶金产品化学分析方法标准的总则及一般规定》对其进行材质分析，结果显示成分合格，因此认为钢液品质并非造成连接头断裂的主要因素。化验成分如表1所示：
2.2结构设计合理性对比
在结构设计合理性方面，通过与同一采面S公司生产的同一类型产品自行对比以及和文献液压支架连接铸造热裂纹缺陷的研究[5]的对比分析，发现结构相似或相同，结合平煤机连接头断裂率较低的.事实，确认其并非造成连接头断裂高的主要因素。
2.3铸造缺陷
为验证是否是铸造缺陷造成连接头断裂率高的因素，对断裂最明显的蒙泰支架连接头进行断面分析和金相检测，断面分析未发现明显的夹渣、气孔、疏松等铸造缺陷。金相检测中，也未发现明显铸造缺陷，如平煤机断裂连接头的金相结果图1所示，因此确认其并非造成连接头断裂率高的主要因素。
2.4金相组织检测
该检测按照《金属纤维组织检测方法》，检测显示，平煤机连接头达到2级，金相结果如图1所示。三一重工公司该类型连接头晶粒度5级，如图2所示，结合机械性能实验中平煤机连接头试样延伸率和冲击功远低于三一重工公司连接头试样分析，是由于正火不充分心部粗大晶粒没有得到细化，导致晶粒粗大及混晶组织，在调制处理中发生晶粒的遗传效应，继承了晶粒粗大的缺陷，造成材料韧性低、脆性大。正火不充分是造成连接头断裂率高的主要原因。
2.5强度试验
取断裂连接头单边耳板为取样基体，拉伸试样和弯曲试样采用机械加工方法获得，相比用火割方法获得的试样，机械加工方法避免了热影响区的影响，实验结果更加真实可靠。拉伸试样有效段直径10mm，原始标距50mm。冲击试样加工成10mm×10mm×55mm的标准试样，缺口V型。表2、3、4和5分别为平煤机连接头拉伸试验结果、平煤机连接头冲击试验结果、S公司连接头拉伸试验结果和S公司连接头冲击试验结果。将表2、3和表4、5的结果进行对比，可发现三一重工生产的连接头与平煤机生产的连接头抗拉强度区别不大，但是，连接头冲击功要比平煤机的高，而且数值较为均匀，说明S公司连接头心部和表面综合性能比较均匀已差别不大。平煤机生产的连接头冲击功低的主要原因是正火不充分，造成晶粒粗大，在调制过程中发生晶体的遗传效应。
2.6硬度检测
在调质工艺合理性方面：分别查阅了ZG30Cr06和ZG28NiCrMo两种材质连接头生产现场使用的热处理工艺卡片，并与工艺部存放ZG30Cr06和ZG28NiCrMo热处理工艺验证报告进行比较，发现工艺卡片要求技术参数与报告推荐参数一致，因此确认所采用调质工艺是合适的;现场操作方面查阅了两种材料连接头生产的圆盘记录纸和当班检测记录，记录显示的保温温度和时间与工艺要求相吻合，检测记录中显示的淬火硬度在要求范围内，且操作因素属于偶发性因素，故认为该因素不是造成连接头整体断裂率高的主要原因。调制后硬度要求HBW240～280，在断裂连接头靠近断裂位置正面和侧面各抽3个点复查硬度指标，结果如表6所示，其中1～3是连接头正面硬度检测值，4～6是连接头侧面硬度检测值.
2.7使用不当验证
用户使用方面，据售后服务部人员介绍，每批支架下井前均对使用人员进行了支架的使用说明培训，S公司支架与平顶山煤矿机械有限公司支架在同一采面，而S公司支架所用连接头断裂率明显较低，故判定该因素不是要因。通过对比和实验的方法，最终确定是由于正火保温时间不足，造成连接头心部未完全奥氏体化，晶粒粗大，应力集中，为断裂连接的主要原因，但是其他非主导性因素也不应当被忽视，应使断裂率降到最低。
3.改进措施
针对正火不充分，导致晶粒粗大以及存在混晶组织和实际的应用条件造成铸钢连接头断裂率高的问题，提出以下改进措施。(1)铸件在正火加热时，应适当延长保温时间，使心部完全奥氏体化，并减少每次的装炉活件量，确保不相互堆积、遮盖，以保证调制后各成分均匀[7]。(2)从设计角度看，加大连接头根部厚度，加大内部外部弧度，这样可以提高连接头应力集中处的强度。连接销轴加设应力槽，这样在连接头受力较大时，销轴先断，可以有效的保护连接头，相比连接头而言，销轴的加工成本低，更换方便，维修时间短，是保护连接头的一种有效的措施。(3)冶炼时严格控制化学成分，是脆性增加的碳和杂质的含量得到严格控制[8]。(4)提高冶炼质量，减少成分偏析。(5)由于连接头在工作时受到的力较为复杂，在制造过程中，可以适当采用机械性能好及淬透性高的材料，以适应现实的实际条件。采用优化后的设计图纸和正火工艺加工了50件送到伊泰宝山矿，一个月后从售后反馈情况看，使用状况良好，未出现连接头批量断裂现象。
4.结语
通过对连接头分析和对比，查明了矿用液压支架连接头断裂的主要原因，并严格控制热处理温度和保温时间。对每件活件均进行超声波探伤，以确保内部无缺陷。从设计角度改进，使连接头达到最佳使用状态。
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