王歡銳，王芳霞

引言

近年來，各主機(jī)廠對車橋橋殼的疲勞壽命均比較重視，在新產(chǎn)品出廠前必須進(jìn)行橋殼疲勞臺架試驗(yàn)，保證 2.5倍額定載荷下橋殼的平均低值壽命不小于80萬次。某公司新開發(fā)的16噸橋殼在疲勞臺架試驗(yàn)時，兩根橋殼均在圖1所示位置出現(xiàn)斷裂失效，疲勞壽命分別為：53萬次和63萬次，裂源位置及斷口具體形貌如圖 2，可以看出，開裂處為橋殼軸頭結(jié)構(gòu)突變的圓弧過渡位置受拉面，可觀察到明顯的疲勞小臺階。

1、失效原因分析

1.1 金相組織、強(qiáng)度

在2根橋殼失效位置，即軸頭受拉側(cè)裂源部位取樣進(jìn)行解剖，金相組織及硬度檢測結(jié)果如表 1。可以看出，此處的組織和硬度均符合技術(shù)要求。同時對斷裂軸頭進(jìn)行成分分析，符合GB/T 3077對30Mn2的技術(shù)要求。

在失效橋殼軸頭其他部位取Φ5的短標(biāo)矩試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測，結(jié)果如表 2，可以看出，橋殼軸頭失效附近的強(qiáng)度基本滿足設(shè)計要求，不是造成橋殼總成早期失效的主要原因。

表1 橋殼裂源處金相組織及硬度檢測結(jié)果

表2 失效橋殼軸頭部位力學(xué)性能檢測結(jié)果

1.2 尺寸及粗糙度

由圖2可以看出，裂源部位為兩段圓管連接的過渡圓弧，對過渡圓弧及兩側(cè)軸頸及壁厚進(jìn)行檢測，結(jié)果如表 3，可以看出，失效橋殼的軸頭部位尺寸及壁厚均符合技術(shù)要求，不是造成其失效的主要原因。

表3 軸頭斷裂部位尺寸檢測

接著對裂源處的圓弧處的粗糙度用粗糙度檢測儀檢測，檢測結(jié)果為Ra3.2。較之于圖紙規(guī)定的Ra1.6略大，不符合要求。由于現(xiàn)場機(jī)加工磨Ф110外圓時，砂輪較大，靠不到圓弧過渡的根部，故裂源部位的R圓弧過渡是靠前道工序的精車來保證，粗糙度較大。

由斷裂力學(xué)可知，表面粗糙度值愈大，表面的溝痕愈深，紋底半徑愈小，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，抗疲勞破壞能力就愈差，此次試驗(yàn)橋殼Ra3.2的粗糙度對應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)最小約1.43（技術(shù)要求的Ra1.6對應(yīng)系數(shù)未超過1.33），如表4，在相同存活率下，表面粗糙度與表面微缺口的對數(shù)疲勞壽命呈二次曲線關(guān)系，可以看出，隨粗糙度增大，疲勞壽命降低明顯[3]。

表4 各個模型的疲勞壽命

1.3 結(jié)構(gòu)及應(yīng)力集中

橋殼疲勞試驗(yàn)為模擬整橋在垂向工況下，考慮2.5倍沖擊載荷的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，按照彎矩分布，計算裂源處承受的疲勞應(yīng)力為316MPa。

經(jīng)觀察，失效橋殼在開裂位置附近結(jié)構(gòu)突變較大，從Ф 137過渡到Ф110，過渡圓角R5。

根據(jù)應(yīng)力集中系數(shù)手冊[4]，對周向有圓角過渡臺肩的圓桿的彎曲（大端直徑為D，小端直徑為d），當(dāng)圓桿承受彎曲力矩時，最大應(yīng)力σmax發(fā)生在小端表面與過度圓弧的切點(diǎn)E附近的A點(diǎn)，∠EOA約為5-10°，如圖3，此橋殼開裂處的應(yīng)力集中系數(shù)計算如下：

r/d=5/110=0.045，D/d=137/110=1.25，查應(yīng)力集中曲線上的應(yīng)力集中系數(shù)σσ約2.1，如圖3四點(diǎn)彎試驗(yàn)情況下的最大應(yīng)力實(shí)際為：σmax=σσ*σn（其中σn為計算應(yīng)力）。

計算垂向工況下橋殼軸頭過渡處應(yīng)力為316MPa，考慮結(jié)構(gòu)突變引起的應(yīng)力集中系數(shù)情況下,最大應(yīng)力實(shí)際為663.6MPa。

本次試驗(yàn)橋殼的平均抗拉強(qiáng)度為：853MPa，換算成的疲勞應(yīng)力約為：426.5MPa，遠(yuǎn)小于考慮了應(yīng)力集中的663.6MPa的應(yīng)力。

2、結(jié)論及改進(jìn)措施

結(jié)合以上分析可以得出，某16噸橋殼發(fā)生早期斷裂失效的主要原因?yàn)榱言刺幗Y(jié)構(gòu)突變，形成較大的應(yīng)力集中，且 R處粗糙度較大，加速此處的斷裂。具體改進(jìn)措施如下：

（1）在不影響裝配下，增大過渡圓角，將R5提高至R20，減小Ф137外圓至Ф132，應(yīng)力集中系數(shù)可以降至1.42，最大應(yīng)力降至448.7MPa；

（2）控制軸頭的調(diào)質(zhì)處理并提高軸頭的強(qiáng)度，硬度由22-28HRC提高至30-35HRC；

（3）增加R處的光潔度，通過定制仿形砂輪實(shí)現(xiàn)R過渡處的磨削處理。

3、結(jié)束語

通過實(shí)施以上的3項(xiàng)措施，改進(jìn)后橋殼的平均疲勞壽命為100萬次不發(fā)生斷裂，改進(jìn)效果明顯。

[1] DIN50150常用鋼材抗拉強(qiáng)度與維氏硬度、布氏硬度、洛氏硬度的對照表[P].德國,2000.

[2] 石德珂,金志浩.材料力學(xué)性能[M].西安交通大學(xué)出版社,1998.

[3] 章剛,劉軍等.表面粗糙度對表面應(yīng)力集中系數(shù)和疲勞壽命影響分析[J].機(jī)械強(qiáng)度,2010,32(1).

[4] 航空工業(yè)部科學(xué)技術(shù)委員會.應(yīng)力集中系數(shù)手冊[M].1990.