某锁模力1280kN注塑机，拉杆组件的断裂失效概率较高，主要是拉杆固定端的螺纹段断裂、拉杆固定螺母锥面出断裂。

拉杆组件的构件技术条件简介。拉杆材料40Cr，THB245。拉杆主体直径也为7cm，表面镀铬，精磨Ra0.8；固定端的螺纹M68X3，底径6.5cm，Ra3.2；调模端的螺纹Tr70×4,螺纹底径6.6cm，Ra1.6。螺纹未作滚压的表面处理。卸载段直径5cm。螺母材料QT500-7，HBS170。拉杆固定螺母（外形见图1）锥面的首牙处壁厚为0.35cm。

5.1 拉杆组件的线弹性断裂失效的分析思路

该注塑机的拉杆组件几乎都在额定锁模力工况下运行较长时期后发生，表明拉杆组件在额定负载下的疲劳强度不够。根据本文对拉杆组件的线弹性断裂力学的微裂纹稳定要素的分析研究表明，首先从三个要素的理论上进行分析，是否存在设计缺陷。如果在理论分析上没有存在缺陷，说明在材料、加工等质量系数偏离了设计所规定的波动范围，那就必须在质量管理上进行提高。

如果理论上分析没有缺陷，那就必然是材料及加工的质量系数达不到设计的要求，通过必要的手段进行质量检测，寻找原因，加以改进。如果本身理论上行不通，就无需进行检测。

5.2 拉杆线弹性断裂力学的微裂纹稳定性能分析

5.2.1 承载能力的综合系数

1）卸载段的承载能力的综合系数

拉杆卸载段表面质量系数：，，，，。

承载能力的综合系数：

2）螺纹段的承载能力的综合系数

拉杆螺纹段表面质量系数：，，，。

承载能力的综合系数：

5.2.2 安全系数均值的分析

拉杆承载能力及负载的波动系数与同例1，安全系数均值同例1：

1)卸载段安全系数均值

2)螺纹段安全系数均值

5.2.3  抗拉应力强度因子校核

拉杆THB245，抗拉强度：

1）拉杆卸载段的抗拉应力强度因子校核

卸载段的抗拉应力极限：

由式（3-36），拉杆卸载脉动循环屈服强度：

由式（3-10），卸载段的许用脉动循环屈服强度极限及应力强度因子的判据校核：

由式（3-8）应力强度因子的判据，卸载段在额定锁模力下，负载应力强度因子过大，微裂纹失稳扩展，达不到脉动循环运行的寿命系数要求。如果负载为额定负载的90%，能够达到脉动循环运行的寿命系数。

2）拉杆螺纹段的抗拉应力强度因子校核

拉杆螺纹段的抗拉应力极限：

由式（3-41），螺母脉动循环屈服强度：

由式（3-11），拉杆螺纹段的许用脉动循环屈服强度极限及应力强度因子的判据校核:

拉杆螺纹段与卸载段存在同样的寿命系数问题。如果负载为额定负载的70%，能够达到脉动循环运行的寿命系数。

5.2.4 卸载段与螺纹段的寿命系数分析

8.2.3节的应力强度因子的分析表明，卸载段和螺纹段的负载应力强度因子均达不到微裂纹稳定的判据要求，所以卸载段不存在卸载能力。根据3.1.2节的分析理论，可根据两者各自的许用脉动循环屈服强度极限和抗拉应力极限之比进行寿命系数的分析，两者的比例系数均小于1，比例系数小的部位，说明强度小，寿命系数短，首先发生断裂，比例系数大的部位因比例系数小的部位断裂，不会发生断裂。

螺纹段的许用脉动循环屈服强度极限与抗拉应力极限之比：

卸载段的许用脉动循环屈服强度极限与抗拉应力极限之比：

应力强度因子的比较：

根据式（3-9）应力强度因子判据，两者均达不到各自许用脉动循环屈服强度极限的应力强度因子的判据要求。拉杆螺纹段的许用脉动循环屈服强度与抗拉应力极限之比为0.70，小于拉杆卸载段的许用脉动循环强度与抗拉应力之比为0.90，说明裂纹断裂首先发生在螺纹段，而不会在卸载段，事实证明了以上的理论分析结论。

5.2.5 拉杆线弹性断裂力学要素的科技进步措施及效果

上面从断裂力学要素角度对拉杆螺纹段断裂做了理论分析，表明理论设计缺陷是造成拉杆螺纹段疲劳断裂的首要因数。根据3.1.2节的拉杆微裂纹稳定的应力强度因子的卸载性能的判据理论及式（3-9）的判据公式，采取以下科技进步措施。

1）拉杆螺纹段的科技进步措施

螺纹段通过提高承载能力的综合系数，达到提高许用脉动循环屈服极限，实现许用脉动循环屈服强度极限与抗拉应力极限之比大于1。

拉杆结构上不容许螺纹外径大于7cm，最有效的技术措施是提高螺纹表面的质量系数。螺纹表面滚压可把质量系数提高近2倍，在其余质量系数不变情况下，如滚压的强化质量系数取1.8，螺纹底径5.5cm，即可满足脉动循环屈服强度的要求。螺纹表面滚压后，由于承载能力的综合系数由0.241提高到0.434，螺纹底径由7.4cm降低到5.8cm，采用M68×3的螺纹，底径6.5cm。 

2）拉杆卸载段的科技进步措施

卸载段通过降低负载应力，实现许用脉动循环屈服强度极限与抗拉应力极限之比大于1，同时根据式（3-9），又小于螺纹段的许用脉动循环屈服强度极限与抗拉应力极限之比，才能起到卸载性能的要求。

通过增大卸载段的直径，降低负载应力。根据螺纹底径，卸载段的直径小于6.5cm，大于5cm，取5.5cm。

3）科技进步效果及判据的简评

改进后的螺纹段的许用脉动循环屈服强度极限由67MPa提高到120MPa，许用脉动循环屈服强度极限与应力比为120/95=1.26；改进后的卸载段的抗拉应力163MPa降低到135MPa，许用脉动循环屈服强度极限强度与应力比为145/136=1.07。符合式（3-9）的判据。如微裂纹一旦失稳，卸载段的微裂纹的单位能量大，扩展速率高于螺纹段，表明卸载段能起到卸载螺纹段的负载能量。

传统的卸载性能的设计理论，基于负载应力比较作为判据，认为卸载段的负载应力大于螺纹段的负载应力，卸载段能起到卸载螺纹段的应力，本例中，改进之前，卸载段的负载应力极限163MPa大于螺纹段的95MPa，但断裂出现在负载应力低的螺纹段，而不是在负载应力高的卸载段，说明两者的负载应力比较的设计理论是错误的。  改进后，卸载段的负载应力极限135MPa大于螺纹段的120MPa，两者的应力极限差距减小，但却不发生断裂。以上事实进一步印证了式（3-9）应力强度因子判据的科学性。

5.3 拉杆螺母断裂的线弹性断裂力学的要素分析

5.3.1 微裂纹稳定的应力强度因子分析

拉杆固定螺母，螺纹M68×3，，。

螺母材料抗拉强度：

由式（3-41），脉动循环屈服强度：

由式（5-3），拉杆固定螺母承载能力的综合系数：

由式（4-13），拉杆固定螺母抗拉应力:

由式（4-15），拉杆螺母的许用交变循环屈服强度极限：

上述分析根据式（3-8）的微裂纹稳定的应力强度因子的判据，拉杆固定螺母脉动循环抗拉应力大于许用脉动循环抗拉强度极限，表明固定螺母在额定负载情况下，发生疲劳微裂纹拉伸而形成宏观裂纹的断裂的概率很高，在额定负载70%的工况下能安全运行，实际使用证明了这一结论。

5.3.2 拉杆螺母的线弹性断裂力学要素的科技进步措施

增加螺母壁厚是唯一降低抗拉应力的有效措施，外径由7.5cm加大至8.5cm，由式（5-1），抗拉应力由90MPa降低至35MPa，小于许用交变循环屈服强度极限，达到微裂纹稳定的判据的式（3-8）的要求。

以本例的调模螺母为例做进一步说明，调模螺母壁厚大，负载应力小，没有断裂的现象发生，按式（3-8）应力强度因子校核：

校核说明，调模螺母的应力强度因子符合微裂纹稳定判据要求，不会发生断裂，与实际相符。

6 结语

本文基于线弹性断裂力学的微裂纹稳定的注塑机拉杆组件的工业设计理论，创建了拉杆组件的断裂力学的设计理论，有助于预测和防止拉杆组件断裂失效，提高拉杆组件的整体运行寿命系数。

线弹性断裂力学的微裂纹稳定要素具有异动性，不同企业的制造环境不同，三个要素的具体参数也不同。设计者需根据本企业的制造环境，科学地确定三个因素的具体参数，突出企业化、个性化的设计，才能达到设计的标的。以三要素为指针，设计拉杆组件各构件的尺寸参数、工艺参数、制造参数、质量参数，应力强度因子判据各构件强度及相互关联强度稳定微裂纹的科学性、合理性，最终确定各构件的尺寸参数。

本文分析研究表明，提高拉杆组件的应力强度因子的关键是承载能力的综合系数，表面质量系数是首要，特别是螺纹表面的强化处理，而这却是目前十分欠缺的技术要素。例如滚压强化处理，既简单又效果显著地提高疲劳强度的技术，目前却很少采用，主要是缺乏对线弹性断裂力学应用于拉杆组件断裂研究的重要性。

微裂纹稳定的研究是一个十分复杂的课题，金相组织分析可以判断疲劳失效与材质的关系；宏观组织分析可以判断气孔、裂纹等不连续性缺陷与断裂源、断裂路径的关系；微观组织分析可以用来研究断口形貌与夹杂物、显微组织之间的关系、二次裂纹的走向和分布等^[6]。近年来随着多尺度研究方法的深入，以及试验手段和显微技术的提高，人们对微裂纹的产生和扩展机理有了一定的认识，微裂纹的研究得到了较大发展。微裂纹稳定的计算机仿真作为一种先进的研究手段，对金属材料疲劳断裂研究起到较大的促进作用。

本文对拉杆组件的微裂纹稳定与断裂之间的因素关联的研究，从一个侧面对拉杆组件的断裂因数做了粗浅的探讨，仅供参考。

参考文献

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