摘 要：通过对某型压力控制阀壳体裂纹进行宏观和微观形貌的观察，并结合金相检验、有限元分析等手段，对其失效原因进行了分析。并根据分析结果，对壳体结构进行设计改进，避免了同类故障再次发生。

关键字：压力控制阀壳体 疲劳裂纹 有限元分析 断口及显微组织分析

0 引言

某型压力控制阀作为液压能源系统的重要调节元件，其作用是限制液压能源系统的最高压力，防止系统过载。它采用主阀与导阀相结合的二级作用式结构，根据液压作用力与弹簧力平衡的原理进行工作。该压力控制阀工作在高压、大流量环境下，承受高达42MPa的脉冲压力。

产品进行脉冲试验时，发现壳体上有油液渗出，初步检查，渗漏处有一小裂纹，油液从此渗出。壳体材料选用2A70，热处理采用淬火、人工时效，硬度要求HB≥100。表面采用铬酸阳极化，并喷涂铝色环氧磁漆H04-101H保护。

本文通过对壳体裂纹进行宏观和微观观察，进行断口、金相、硬度检查及有限元分析，结合产品脉冲试验情况，确定了壳体裂纹的性质、产生原因，提出了消除裂纹的改进措施。

1 故障现象及检查

1）故障现象

压力控制阀采用交变脉冲波形进行压力脉冲循环试验；最大脉冲压力42MPa，最小脉冲压力0.4MPa，脉冲试验循环频率为1Hz。在进行脉冲试验时，出现压力下降，波形异常，壳体上有油液渗出，见图1。

图1 壳体外表面 

2）宏观检查

仔细观察壳体渗油部位，是在两个相互垂直圆柱相贯线附近，如图1所示。将产品壳体剖开，在内表面两个相互垂直圆相贯处有细微裂纹，在裂纹附件有明显加工刀痕。如图2所示划线处。

图2 壳体剖面图

3）断口及组织分析

壳体的裂纹方向见图3，裂纹剖面见图4。对产品的断口进行金相分析后，发现：①壳体断口有明显疲劳条带形貌存在，呈典型疲劳断口特征。该裂纹性质应为疲劳裂纹。②裂纹方向大致从内向外，裂纹源区在壳体内孔加工刀痕处，加工刀痕应是导致裂纹产生的一个原因。③组织未见过烧，符合标准要求。

图3 裂纹方向

图4 裂纹剖面

4）硬度检查

检查壳体硬度HB=126，符合设计要求。

5）有限元分析

对壳体用UGNXNASTRAN进行有限元分析，以确定其强度、刚度与设计要求的符合性，明确在实际设计中应引注意、优化的部位。

在壳体上施加约束，限制其径向移动和轴向移动，将壳体完全固定。分析受力情况，按最大工作压力42MPa施加载荷，网格划分采用10节点四面体单元，由UG的有限元分析模块自动划分完成，赋予实体及网格材料属性ALUMINUM_2014，用来近似代替2A70，解算器为NXNASTRAN，解算类型为Structural结构分析。

最大工作压力42MPa载荷应力求解分析按图5进行应力分析。

图5 应力（载荷42MPa）图

图5剖视图中黄色区域为最大应力集中点，在壳体的内部主阀安装孔的倒角处、两个相互垂直圆柱相贯线形成的台阶孔处，最大应力为202.66MPa。这是应力集中点，是产品的薄弱环节。

2 故障原因分析

故障原因分析如下：

（1）通过对壳体裂纹的宏观和微观观察分析，壳体裂纹为疲劳裂纹，壳体裂纹附近有明显的加工刀痕。裂纹源区在壳体内孔加工刀痕处，该部位是直孔与横孔相贯处，处于结构上的应力集中部位。

（2）壳体的显微组织正常，断口无明显的夹杂等冶金缺陷，壳体裂纹的产生与材质无关。

（3）从裂纹的形貌上看，在壳体内孔加工刀痕处的薄弱部位产生裂纹源。裂纹扩展的方向大致从内向外。

（4）通过对壳体裂纹的宏观检查，壳体裂纹附近有明显的加工刀痕，该处设计要求R2倒圆，但在加工中，形成明显的台阶。

（5）通过有限元分析表明：最大应力发生在壳体两个相互垂直圆柱交界处，它是产品的薄弱部位，在实际设计中应引起注意。

3 改进措施

3.1 原设计方案

原壳体在设计时，两个垂直圆孔未贯通，横向圆台与两个垂直圆孔的相交状况不同，下圆柱的孔未能完全穿透圆台，形成一台阶，加工时，极易形成刀痕，进而形成应力集中区域。详见图6。

3.2 改进设计

改进设计如下：

1）改进方案将两个垂直圆孔贯通，它们与横向圆台直接相贯到垂直圆孔中心线处，并对形成的相贯线进行倒圆处理，消除应力集中；同时增加垂直孔处的壁厚，从而增加壳体强度，详见图7。

图6 原壳体

图7 改进壳体

2）有限元分析

对改进壳体用UGNXNASTRAN进行有限元分析，详见图8。

图8 应力（载荷42MPa）图

图8剖视图中黄色区域为在壳体的内部主阀安装孔的倒角处，这是最大应力集中点，最大应力为138.87MPa。直孔承受的应力为104.15MPa，横向圆台与两个直孔相交形成的孔，处在蓝色区域，应力为34.72MPa。

两种壳体对比：将图8与图5对比，在壳体的内部主阀安装孔的倒角处应力由202.66MPa降为138.87MPa；横向圆台与两个直孔相贯处的应力由202.66MPa降为34.72MPa，也即与渗漏直接相关的横向圆台与两个直孔相贯处应力改进后降为原来的1/7。

3）验证情况

用改进壳体进行脉冲试验，试验后，观察产品外观及壳体，均无异常，复试产品性能符合要求。

该试验验证了落实上述改进措施的有效性。

4 结论

采用两个垂直孔与横向圆台相交成一台阶的结构设计方案，台阶处的加工刀痕成为裂纹源，并由内向外，引起了壳体裂纹；通过改进壳体，将两个垂直孔贯通与横向圆台在半径处相贯，消除了壳体中的薄弱环节，避免了应力集中，使产品的强度得到改善。