羅致崗

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某車型“一字型”管梁失效分析及質(zhì)量改進(jìn)

羅致崗

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

針對(duì)某車型試驗(yàn)中管梁斷裂失效問題，應(yīng)用故障樹方法分別從設(shè)計(jì)因素、零部件因素、裝配因素和使用因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，最終確定問題產(chǎn)生原因并提出質(zhì)量改進(jìn)方案。

故障；斷裂；改進(jìn)

1 問題描述

某6×6軍用越野車在陸軍試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)發(fā)生了后橋附件縱梁外部“一字型”套裝管梁斷裂問題，故障里程8000Km。故障圖片見圖1。

圖1 故障圖片

2 建立故障樹

依據(jù)目前的故障模式，為了分析“一字型”管梁斷裂問題原因，建立以管梁斷裂為頂事件的故障樹[1]，見圖2。

圖2 管梁斷裂故障樹簡(jiǎn)圖

下面按照故障樹列舉的底事件逐一分析。

2.1 設(shè)計(jì)因素

此結(jié)構(gòu)管梁以前廣泛應(yīng)用于其它車型，技術(shù)狀態(tài)沒有發(fā)生變更，管梁結(jié)構(gòu)和材質(zhì)以前未出現(xiàn)過類似質(zhì)量問題，初步可判定設(shè)計(jì)過程滿足要求。

下面應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

構(gòu)建模型邊界條件。將固定托架與車架連接的四個(gè)螺栓孔施加固定約束，將固定托架上用于夾緊管梁的螺栓孔按Q/SQ 100400 中螺栓擰緊力矩要求，施加緊固力矩58～71 Nm, 相對(duì)應(yīng)預(yù)緊力為23200～28400N（取其較小23200N）。將固定板總成、管梁等零件默認(rèn)綁定約束，固定托架與管梁之間施加摩擦約束。給所有件施加重力，并分別前后（X方向）、上下（Z方向）加載加速度（相比靜載條件動(dòng)態(tài)下受力更為惡劣），模擬車輛加速或制動(dòng)以及在凹凸路面上下跳動(dòng)時(shí)的受力。分為典型制動(dòng)、加速/啟動(dòng)、垂直上升和垂直下落四工況[2]。

a）工況1（典型制動(dòng)) a= -0.65g（g為重力加速度，下同）見圖3所示。

圖3 制動(dòng)過程中管梁應(yīng)力分布

圖4 加速/啟動(dòng)過程中管梁應(yīng)力分布

b）工況2（加速/啟動(dòng)）a=+0.5g見圖4所示。

c）工況3 （垂直上升）a=+2.5g見圖5所示。

圖5 上跳過程中管梁應(yīng)力分布

圖6 下落過程中管梁應(yīng)力分布

d）工況4（垂直下落）a=-2.5g見圖6所示。

分析結(jié)果顯示，在四種不同的工況下，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在管梁與固定托架連接的地方，最大應(yīng)力分別為180.22 MPa、180.13MPa，173.05MPa和186.79 MPa，均沒超過20鋼材料屈服極限245 MPa，因此滿足使用要求。

通過上述分析，設(shè)計(jì)過程不存在風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)因素可予以排除。

2.2 零部件因素

檢驗(yàn)配合尺寸（內(nèi)外徑）及其它尺寸，均符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

下面對(duì)故障件理化分析。

故障件宏觀檢查。送檢的斷裂零件外觀形貌見圖7。斷裂零件斷裂部位距端面116mm，圖7中左側(cè)為端部，右側(cè)為斷裂處。斷裂零件軸向約三分之一圓弧范圍內(nèi)有明顯的低溫銹蝕現(xiàn)象，其余漆膜基本完整。斷裂處附近有明顯的摩擦、擠壓現(xiàn)象，局部有輕微壓塌現(xiàn)象，斷口周邊漆膜完全磨掉，露出新鮮的金屬本體，觀察斷口附近的軸向表面，隱約可見明顯的摩擦痕跡及擠壓形成的環(huán)向溝槽，見圖8。經(jīng)查，斷裂的管梁零件以較大的間隙插入固定在汽車縱梁上的支座內(nèi)，二者采用螺栓進(jìn)行鎖緊。零件斷裂位置與其插入支座的根部位置基本吻合，管梁斷裂處軸向的磨痕系二者之間發(fā)生微小相對(duì)位移、相互摩擦所致。

另外，斷裂管梁斷口稍不平齊，大致與零件軸問重直，表面較均勻的覆蓋黃褐色氧化物，經(jīng)化學(xué)方法清洗后，斷口金屬光澤明顯，明暗程度稍有差異，清洗后的斷口左側(cè)約三分之一區(qū)域內(nèi)色澤稍亮且稍光滑,此區(qū)域應(yīng)為疲勞源及擴(kuò)展區(qū)，右側(cè)約三分之二區(qū)域內(nèi)色澤稍暗，右側(cè)區(qū)域斷口邊緣可見輕微剪切唇，為最后斷裂區(qū)域。

圖7 斷裂件形貌

圖8 斷口形貌

綜合檢測(cè)分析。在零件斷裂處縱向剖開，基體組織為鐵素體+珠光體，晶粒細(xì)小，出現(xiàn)帶狀分布。晶粒度分別8-9級(jí)，帶狀組織可評(píng)為2級(jí)，未見明顯的三次滲碳體?；w硬度平均值為166HV10。材質(zhì)化學(xué)成分經(jīng)檢測(cè)符合要求。通過確認(rèn)，磨損部位為疲勞擴(kuò)展區(qū)域，未磨損區(qū)域可見二次斷裂。

根據(jù)材料理化分析結(jié)果，并不存在材料本身的缺陷。因此，此零部件因素可予以排除。

2.3 裝配因素

裝配時(shí)，若固定托架上鎖緊螺栓未按技術(shù)要求緊固時(shí)，管梁在固定托架徑向運(yùn)動(dòng)，在整車行駛過程中來回晃動(dòng)，產(chǎn)生交變應(yīng)力，易疲勞失效，發(fā)生斷裂。

檢查裝配記錄，當(dāng)時(shí)裝配過程緊固螺栓力矩符合工藝要求，因此裝配因素可以排除。

2.4 使用因素

車輛在越野路面行駛時(shí)，管梁固定托架緊固緊螺栓因劇烈振動(dòng)可能會(huì)松曠，如未及時(shí)緊固螺栓，管梁會(huì)在內(nèi)托架發(fā)生微小位移，容易疲勞斷裂。此次故障就發(fā)生在試驗(yàn)過程中，支架產(chǎn)生斷裂與行駛過程的維護(hù)保養(yǎng)、工況等有關(guān)，因此，使用因素不可排除。

如上分析，引起管梁斷裂原因?yàn)楣潭ㄍ屑芪茨苕i緊管梁，管梁在托架內(nèi)徑向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而受沖擊交變載荷形成局部應(yīng)力集中，最后產(chǎn)生疲勞斷裂。

3 分析結(jié)論

斷裂管梁材質(zhì)質(zhì)量合格；管梁與支座發(fā)生相對(duì)位移，最終發(fā)生疲勞斷裂。

從管梁有限元分析情況可知，管梁設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足使用要求。依據(jù)理化分析判定為疲勞斷裂。從管梁的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析，所受外載荷不足以導(dǎo)致管梁斷裂。但也不排除管梁在使用過程中螺栓未打緊或螺栓松曠后未及時(shí)緊固等因素，螺栓鎖止不可靠導(dǎo)致車輛在凹凸不平路面、加速及制動(dòng)過程中，管梁及支架產(chǎn)生震動(dòng)，對(duì)管梁產(chǎn)生沖擊載荷。

4 質(zhì)量改進(jìn)

為了解決特殊使用工況下管梁失效問題，對(duì)管梁支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。即在管梁尾端采用硫化橡膠結(jié)構(gòu)，與固定座之間達(dá)到過盈配合，避免使用過程中螺栓未及時(shí)緊固而造成管梁在支架中移動(dòng)所引起的疲勞斷裂問題。

[1] 王為江,陳國(guó)泰.質(zhì)量管理技術(shù)及其應(yīng)用[M].中國(guó)石化出版社, 2014.

[2] 趙一文,李鴻斌.故障模式分析及研究[J].汽車應(yīng)用研究,2016,(7) 11-15.

Failure analysis and quality improvement of "one type" pipe girder of a heavy truck model

Luo Zhigang

（Shaanxi heavy vehicle co. LTD., Shaanxi Xi'an 710200）

Aiming at the fracture failure problem of pipe girder in the test of a certain vehicle model, the fault tree method was applied to analyze the design factor, component factor, assembly factor and use factor, respectively, and finally determine the cause of the problem and put forward the quality improvement plan.

fault; fracture; improvement

U467

B

1671-7988(2019)09-153-03

U467

B

1671-7988(2019)09-153-03

羅致崗，男，碩士，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.049