余越　沈先明　陳健

摘要：根據(jù)內(nèi)燃叉車(chē)的使用工況，針對(duì)火花熄滅器斷裂故障進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)與掃頻破壞試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析破壞機(jī)理，從應(yīng)力集中與材料疲勞的角度針對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高了火花熄滅器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)可有效解決故障問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃叉車(chē)；掃頻試驗(yàn)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)化

0? ?引言

火花熄滅器是內(nèi)燃叉車(chē)應(yīng)用在倉(cāng)庫(kù)、油田、林區(qū)、煤礦、造紙廠(chǎng)、飛機(jī)場(chǎng)等易燃易爆區(qū)域必須配置的安全阻燃裝置。旋流式火花熄滅器因結(jié)構(gòu)緊湊、輕便、不需液體工質(zhì)等特點(diǎn)，成為工程車(chē)輛常用的安全阻燃裝置。通常將它安裝在排氣管路末端，尾氣通過(guò)兩層交錯(cuò)的穿孔板結(jié)構(gòu)，在允許排氣氣流通過(guò)的同時(shí)，阻擋排氣流內(nèi)的火焰和火星噴出[1]。

針對(duì)某型內(nèi)燃叉車(chē)投入市場(chǎng)銷(xiāo)售后，火花熄滅器出現(xiàn)斷裂故障，通過(guò)定頻振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)火花熄滅器進(jìn)行合規(guī)性驗(yàn)證試驗(yàn)。采用掃頻破壞試驗(yàn)，明確了火花熄滅器斷裂的原因與破壞機(jī)理，并針對(duì)斷裂原因?qū)鸹ㄏ缙鹘Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到了延長(zhǎng)內(nèi)燃叉車(chē)火花熄滅器使用壽命的目的。

1? ?故障現(xiàn)象

2020年市場(chǎng)反饋，某型配裝高位排氣與火花熄滅器配置的內(nèi)燃叉車(chē)在使用過(guò)程中，火花熄滅器的安裝面根部發(fā)生斷裂，使火花熄滅器主體脫離了內(nèi)燃叉車(chē)排氣管路。該故障造成火花熄滅器失效，使內(nèi)燃叉車(chē)在易燃易爆場(chǎng)所使用存在安全隱患，影響了內(nèi)燃叉車(chē)的正常使用。火花熄滅器斷裂狀態(tài)如圖1所示。

2? ?故障原因分析

市場(chǎng)返回的故障件斷面規(guī)整，表明有毛刺。結(jié)合前期處理此類(lèi)故障的經(jīng)驗(yàn)，初步判斷該故障可能有3個(gè)方面原因[2]：一是火花熄滅器強(qiáng)度不足，無(wú)法承受叉車(chē)頻繁變向運(yùn)動(dòng)及柴油機(jī)振動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)載荷；二是火花熄滅器安裝面根部與端面連接處結(jié)構(gòu)突變大，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；三是火花熄滅器殼體薄，內(nèi)燃叉車(chē)振幅大，導(dǎo)致其發(fā)生疲勞破壞。

3? ?故障排查

按照上述個(gè)方面可能存在的原因逐一進(jìn)行分析與排查，從而優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，達(dá)到延長(zhǎng)火花熄滅器壽命的目的。

3.1? ?火花熄滅器強(qiáng)度驗(yàn)證

國(guó)標(biāo)GB 13365-2005規(guī)定，火花熄滅器需具備足夠的抵抗振動(dòng)能力。標(biāo)準(zhǔn)要求，將火花熄滅器按工作狀態(tài)，安裝在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行垂直振動(dòng)，振動(dòng)頻率為50Hz，振幅為1.0mm，振動(dòng)時(shí)間10h不得發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞、開(kāi)焊等現(xiàn)象[3]。振動(dòng)試驗(yàn)可分段進(jìn)行，但每段連續(xù)振動(dòng)時(shí)間應(yīng)不小于5h，兩段時(shí)間間隔不大于24h。

為使試驗(yàn)與實(shí)際情況盡量貼合，將火花熄滅器與內(nèi)燃叉車(chē)高排氣管使用夾緊箍連接，并固定在試驗(yàn)工裝上，試驗(yàn)工裝與振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)螺栓剛性連接，如圖2所示。火花熄滅器按國(guó)標(biāo)要求進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)10h連續(xù)定頻振動(dòng)，樣件沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞與開(kāi)焊等失效現(xiàn)象，表明火花熄滅器為合格產(chǎn)品。

為了進(jìn)一步分析火花熄滅器破壞機(jī)理，將振動(dòng)頻率由50Hz定頻改為掃頻振動(dòng)，通過(guò)破壞性試驗(yàn)分析失效原因?？紤]到內(nèi)燃叉車(chē)在實(shí)際使用中，駕駛員會(huì)進(jìn)行頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)、換向等動(dòng)作，且內(nèi)燃叉車(chē)動(dòng)力來(lái)自于柴油機(jī)，柴油機(jī)振動(dòng)較大，因此以發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)范圍為基礎(chǔ)并適當(dāng)放大振動(dòng)參數(shù)，將掃頻頻率范圍設(shè)為20～100Hz，振幅保持在1.0mm，同時(shí)將加速度由1g放大至4g。

試驗(yàn)連續(xù)反復(fù)進(jìn)行，經(jīng)過(guò)6h試驗(yàn)火花熄滅器發(fā)生斷裂，斷裂位置為火花熄滅器安裝面根部，如圖3所示。樣件破壞形式與客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)象一致，試驗(yàn)表明火花熄滅器強(qiáng)度不足，無(wú)法承受叉車(chē)運(yùn)動(dòng)與柴油機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷。

3.2? ?降低應(yīng)力集中措施

火花熄滅器安裝面外徑為40mm，工作面外徑為100mm，安裝面根部與殼體端面連接處結(jié)構(gòu)突然變大，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。為了加強(qiáng)火花熄滅器安裝面根部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，抑制應(yīng)力集中造成的不利影響，將3根加強(qiáng)筋呈120°焊接在火花熄滅器安裝面與殼體端面，使安裝面根部承受的動(dòng)應(yīng)力分散至殼體端面。

為驗(yàn)證降低應(yīng)力集中后其能否滿(mǎn)足內(nèi)燃叉車(chē)工況，將焊接3根加強(qiáng)筋的樣件，固定在高排氣振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行掃頻破壞試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)連續(xù)5h試驗(yàn)，火花熄滅器殼體端面發(fā)生撕裂，如圖4所示。樣件在3根筋板與殼體端面結(jié)合處外側(cè)出現(xiàn)裂紋，安裝面根部仍有部分連接。

試驗(yàn)表明，使用3根筋板加強(qiáng)后，裂紋由筋板與殼體端面連接處外側(cè)生成，并逐漸擴(kuò)散至安裝面根部。殼體端面材料發(fā)生撕裂，應(yīng)力集中不再是主要矛盾，而是殼體端面材料發(fā)生疲勞，致使材料發(fā)生撕裂[4]。

4? ?結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過(guò)增加火花熄滅器殼體厚度，可提高殼體端面的強(qiáng)度，但增加殼體厚度會(huì)導(dǎo)致火花熄滅器質(zhì)量增加，不僅浪費(fèi)材料而且會(huì)增加其動(dòng)應(yīng)力，因此該方案不可行。為了在不增加質(zhì)量的前提下提高殼體端面的強(qiáng)度，需對(duì)殼體端面碰焊圓環(huán)板強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)。

同時(shí)焊接3根加強(qiáng)筋與圓環(huán)板，可達(dá)到兼顧殼體端面強(qiáng)度與避免應(yīng)力集中的效果。將樣件固定在高排氣振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行掃頻破壞試驗(yàn)，經(jīng)10h試驗(yàn)后樣件無(wú)破壞、開(kāi)焊等失效現(xiàn)象，如圖5所示。試驗(yàn)表明，焊接3根加強(qiáng)筋與圓環(huán)板的火花熄滅器，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到了有效加強(qiáng)，可克服應(yīng)力集中與薄壁材料疲勞的缺陷，加強(qiáng)后的火花熄滅器可以適用在內(nèi)燃叉車(chē)上。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在安裝面與殼體端面焊接3根加強(qiáng)筋與圓環(huán)板的強(qiáng)化，使火花熄滅器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到了有效，克服了應(yīng)力集中與材料疲勞的缺陷。該措施有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量，并且在推向市場(chǎng)后反響較好，無(wú)不良反饋。內(nèi)燃叉車(chē)上的零部件通常會(huì)承受較大沖擊與動(dòng)載荷，特別是薄壁零部件結(jié)構(gòu)，需重點(diǎn)關(guān)注應(yīng)力集中和材料疲勞。針對(duì)薄弱部位適當(dāng)加強(qiáng)，會(huì)使其壽命更長(zhǎng)，環(huán)境適應(yīng)性更好。

參考文獻(xiàn)

[1] 張鐵柱.火花熄滅消聲器性能數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2011.

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[3] GB13365-2005，機(jī)動(dòng)車(chē)排氣火花熄滅器[S].

[4] 柯建鋒.某發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管斷裂原因分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工程機(jī)械與維修，2022（1）：60-61.