大型挖掘机履带螺栓断裂原因分析及预防措施...

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导读作者：陈元锋　赵永祥　王　贝 （徐州徐工履带底盘有限公司，徐州 221011）来源：《现代制造技术与装备》2026年1月摘要： 针对某大型挖掘机调试过程中出现的履带螺栓断裂故障，通过化学成分分析、硬度检测、金相组 织观察、脱碳分析及断口形貌分析等手段，系统研究螺栓断裂原因。结果表明：断裂螺栓的化学成分、金相组织、 硬度和齿部脱碳层均满足技术要求；螺栓断裂源起源于表面，向内侧扩展，断裂源区附近存在螺纹黏结和局部 磕碰损伤。结合分析认为，断裂源处螺纹的局部磕碰损伤在装配拧紧过程中导致局部金属流动，形成黏结损伤，最 终引发撕裂失效。基于分析结果，提出相应的预防措施，为提升履带螺栓的可靠性提供技术参考。


什么是智能螺栓？

   智能螺栓包含了三层内涵。第一层意思是：螺栓上要有可以感知（测量）预紧力的传感器，这是使之“智能”的物理基础；第二层的意思是：要有一个超级便携（记住：不是便携，而是超级便携）的设备，可以感知（测量）预紧力；第三层的意思是：要有一个可以理解“法兰管理”的AI模型。

1. 传感器

      对于智能螺栓，传感器就是压电陶瓷片，将此粘结在螺栓的端部，就可以测量螺栓预紧力。这样做的好处是：不仅可以为后续的预紧力测量消除了人为的误差，如：超声探头摆放位置不同带来的测量错误，更可以理解为是一种投资。那投资的回报是什么呢？就是：效率，极致地效率。简言之，就是：将压电陶瓷片粘结在螺栓的端部，表面上看是增加了一些工作量，但是带来的收益是后续测量（定检）时人工效率大幅度地提高（测量时间：2秒/每颗螺栓）！

要点：贴上压电陶瓷片的螺栓，才叫：智能螺栓！

2. 超级便携设备

    定期检测螺栓预紧力，爬上爬下，是个体力活，要求螺栓预紧力测量设备要轻，要小。你可能会说：最好，就像手机那样！你说对了，就得像手机那样，和手机一样大小、用手机操作！

要点：手机大小、手机操作、超长待机时间（连续测量4天！）。

3. 法兰管理

    元宝、豆包，你常用吧？我猜想，你已经get到我的点了。螺栓很少有单独使用的，一般都是一组，真正需要管理的是“螺栓群组”，我们称之为“法兰管理”。

预紧力测量值+定检时的信息（语音、视频、温度、湿度，等），就形成了一个“情景”，每个螺栓都有这样的情景，用大语言模型去推理这些“情景”，法兰就会说话了，这就叫做“法兰管理”！

要点：用AI来驱动数据，让数据会说话！这才是真正的可追溯！

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     大型挖掘机作为工程机械领域的核心设备，广泛 应用于露天矿山的开采和剥离工作[1]。履带行走系统 作为挖掘机的关键组成部分，可靠性直接影响整机的 工作效率和作业安全。履带螺栓作为连接履带板、链 轨节等关键部件的核心紧固件，在工作过程中承受着 周期性冲击载荷、扭矩及剪切力的复合作用，是履带 系统中对可靠性要求较高的连接件[2-3]。      螺栓断裂故障不仅会导致设备停机维修，增加运 维成本，还可能引发严重的安全事故。由环境介质和 疲劳引起的断裂是目前常见且损失较大的高强度紧固 件失效形式[4-5]。文章以某大型挖掘机履带螺栓断裂 故障为研究对象，通过理化检测和断口分析手段，揭 示断裂机理，为类似故障的诊断与预防提供参考。1　故障现象      某大型挖掘机在出厂前调试阶段，发现左侧履带 行走机构出现异常异响。停机检查时发现，连接履带 板与链轨节的M24高强度螺栓发生断裂，断裂位于 螺栓与螺母旋合段的中部区域，如图1所示。现场共 发现2颗螺栓断裂，断裂形态基本一致。
     断裂螺栓的外观特征显示，螺栓头部与螺杆连接 处未发现明显变形，断裂面与螺栓轴线基本垂直。断 裂后的螺栓残段仍部分旋合在螺母中，需通过工具强 行分离。 2　故障分析 2.1　成分分析       采用直读光谱仪分析螺栓材料的化学成分，检测 结果如表1所示。螺栓材料牌号为SCM440，对应国 标牌号为42CrMo，具有强度高、淬透性好、韧性好、 淬火时变形小等特点。该钢常用于制造对强度、塑性 和韧性要求均较高的关键部位螺栓[6]。
     由表1可知，断裂螺栓的各项化学成分均在技术 要求范围内。其中碳含量为0.42%，处于标准中限水 平，有利于保证螺栓的强度；铬、钼元素含量分别为 1.106% 和 0.208%，能够有效提升钢的淬透性和回火稳 定性；磷、硫等有害元素含量较低，分别为0.015 8% 和0.001 4%，远低于标准限值，可减少材料的脆性倾向。 2.2　硬度分析      采用洛氏硬度计对断裂螺栓的横截面进行硬度 检测，检测位置包括表层、次表层和心部区域。每 个区域测量3个点，取平均值。螺栓硬度技术要求为 36.0 ～ 44.0 HRC，实际检测结果如表2所示。
     由表2可知，螺栓的硬度在41.0～42.0 HRC，平均 值为41.7 HRC，处于技术要求范围的中上限水平，满足设 计要求。硬度分布均匀，表层与心部硬度差异较小，表明 螺栓的热处理工艺控制良好，未出现过热或欠热现象。 2.3　组织分析      对螺栓横截面进行金相组织观察，取样位置为断 裂部位附近的完好区域，经打磨、抛光和4%硝酸酒 精腐蚀后，在光学显微镜下观察组织形态。金相组织 要求为回火索氏体1～4级，实际检测结果如图2所示。
    显微组织观察显示，螺栓的金相组织为均匀的回 火索氏体，晶粒细小均匀，组织中未发现明显的网状 碳化物、魏氏组织等异常组织，也未观察到夹杂物超 标现象，评级为2级，符合技术要求。分析结果表明， 螺栓的热处理工艺规范，组织性能稳定。 2.4　脱碳分析      螺栓螺纹部位的脱碳现象会显著降低螺纹的疲劳 强度，是导致早期断裂的重要因素之一。对螺栓螺纹 牙底部位进行脱碳层检测，采用金相法观察螺纹表面 的脱碳情况，结果如图3所示。
     由图3可知，螺栓螺纹牙底过渡圆滑，未发现明 显的全脱碳层或半脱碳层，脱碳深度远小于技术要求 的0.1 mm限值。螺纹表面的碳含量未发生明显降低， 表明螺栓在热处理过程中保护良好，未出现严重的氧 化脱碳现象。 2.5　断口宏观形貌分析      对断裂螺栓的断口进行宏观形貌观察，结果如图4 所示。断口呈金属灰色，端面粗糙不平，未见明显的缩颈特征，有放射性花样。根据扩展棱线收敛方向判 断，断裂源区位于断口一侧，断裂源起源于表面，向 内侧扩展。扩展区呈放射状向芯部方向扭转扩展，其 上可见粗大规则扩展条纹，瞬断区呈撕裂状断裂。
     沿断裂源与螺栓中心直线取螺栓和螺母螺纹连接 剖面，可见靠近断裂源处约有两扣螺纹黏结在一起， 螺纹牙型发生明显变形，如图5所示。
     详细观察螺纹连接剖面，发现靠近断裂源处的螺 纹表面存在明显的机械损伤痕迹，螺纹牙顶和牙侧有 挤压变形和金属流动现象。黏结部位的螺纹表面粗糙 不平，存在局部金属黏着现象，表明在螺栓拧紧过程 中发生了严重的螺纹粘连。这种现象通常发生在螺纹 表面存在损伤或装配过程中受力不均的情况下，导致 局部金属发生塑性流动并黏结在一起。 2.6　断口微观形貌分析      将断裂螺栓的断裂源区经无水乙醇超声清洗、吹 干处理后，采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）系统观测与分析其微观形貌，如 图6所示。
     由图6可知，断裂源区呈现典型的微孔聚集型韧 性断裂韧窝形貌，韧窝分布较为密集，大小相对均匀， 窝壁清晰且具有一定的塑性变形特征，韧窝之间通过 撕裂棱相互连接，体现了微孔长大、聚合直至断裂的 韧性断裂过程。 3　分析结论      综合各项检测结果，可得出以下结论：首先，断 裂螺栓的化学成分、金相组织、硬度和齿部脱碳层均 满足技术要求，材料本身的性能指标符合设计规范， 排除了材料不合格导致断裂的可能性；其次，断口形 貌分析表明，断裂源起源于螺栓表面，向内侧扩展， 断口无明显缩颈，有放射性花样，断裂源区呈现典型 的微孔聚集型韧性断裂韧窝形貌；再次，螺纹连接剖 面观察发现，靠近断裂源处约有两扣螺纹存在明显的 黏结现象，表明螺纹表面存在明显的磕碰损伤，在装 配拧紧过程中，当螺纹旋合至损伤位置时，由于损伤 部位的螺纹牙型不完整，旋合过程中受力不均，产生 应力集中点；最后，在挖掘机调试过程中，履带系统 承受周期性的冲击载荷，在黏结损伤处产生撕裂，裂 纹不断扩展，最终导致螺栓断裂失效。4　预防措施      针对以上分析结果，为防止类似的履带螺栓断裂 故障再次发生，提出两方面预防措施。一方面，加强 螺栓制造过程的质量控制。在螺栓加工和运输过程中， 应采取有效的防护措施，避免螺纹表面发生磕碰损伤。 可采用专用的防护工装或包装材料，防止螺栓之间相互 摩擦碰撞。对螺纹表面质量进行100%目视检测，一旦 发现损伤的螺栓，及时报废处理。另一方面，加强装配后的检测。装配完成后，对关键部位的螺栓进行扭 矩复紧检查，确保拧紧力矩符合要求。 5　结语       在装配拧紧过程中，螺纹磕碰损伤易导致局部金 属流动和黏结，最终引发撕裂失效。在特定使用工况 下，细微的初始缺陷可能被放大，成为关键失效诱因。 因此，应加强螺栓表面质量控制，以提升螺栓的可靠 性，并延长其使用寿命。
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