某油氣懸掛裝置連接體失效分析

郭建娟，張 旭，韓小玲，崔向利，段國(guó)柱

(中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京 100072)

某車(chē)油氣懸掛裝置采用固定雙缸筒式結(jié)構(gòu).其中油缸與氣缸一端通過(guò)連接體連接，另一端分別與殼體固連，主活塞、浮動(dòng)活塞隨著車(chē)輪的升降分別在油缸、氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng).該結(jié)構(gòu)緊湊可靠，有效防止了車(chē)輛在高速行駛過(guò)程中缸體可能產(chǎn)生的擺振現(xiàn)象.在樣車(chē)進(jìn)行制動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，某輪位油氣懸掛裝置連接體發(fā)生破裂現(xiàn)象，連接體底部碎成多塊，同時(shí)浮動(dòng)活塞在連接體破裂時(shí)崩出，懸掛失效.

1 連接體外觀觀察

連接體新品外觀見(jiàn)圖1，連接體破裂后斷口見(jiàn)圖2.將連接體碎片復(fù)原后的形貌見(jiàn)圖3，可見(jiàn)裂紋沿缸底內(nèi)圓角擴(kuò)展，經(jīng)橫向油道所在凸臺(tái)斷裂，缸底破碎成多塊.連接體整體未見(jiàn)明顯塑性變形，各裂紋配合面閉合性良好，在缸底表面存在多處表面磕碰傷.另外在缸底殘片的內(nèi)表面可見(jiàn)半圓形光亮的撞擊痕跡，圓弧尺寸與活塞圓周一致，圓弧并非位于缸底正中，而是處于缸底的一側(cè)，撞擊凹痕經(jīng)過(guò)缸底中心的油孔，見(jiàn)圖4.破裂氣缸內(nèi)活塞整體完整，無(wú)明顯開(kāi)裂破碎現(xiàn)象，只在活塞兩端存在明顯磕碰傷，見(jiàn)圖5.

圖1 連接體新品外觀

圖2 連接體破裂斷口

圖3 連接體碎片復(fù)原

圖4 連接體底部撞擊痕跡

圖5 活塞外觀

2 連接體破裂過(guò)程分析

2.1 外觀推斷破裂過(guò)程

連接體破裂存在兩種可能:1)連接體在工作壓力下自身發(fā)生破裂失效;2)因其他因素導(dǎo)致油壓快速下降，活塞沖擊連接體而導(dǎo)致其破裂失效.這兩種情況下連接體破裂的肇事件不同，因此，為了辨別連接體屬于肇事件還是受害件，根據(jù)各部位的損傷痕跡對(duì)連接體的失效過(guò)程進(jìn)行分析.觀察圖4、圖5發(fā)現(xiàn)連接體與活塞損傷存在以下特點(diǎn):1)活塞圓周面未見(jiàn)明顯損傷，因此其在連接體失效過(guò)程中應(yīng)該保持在缸體內(nèi)作正常軸向運(yùn)動(dòng);2)活塞頂部與連接體撞擊痕跡均偏于缸底一側(cè)，因?yàn)榍懊嬉雅袛嗷钊麨檎］S向運(yùn)動(dòng)，假設(shè)連接體是被活塞撞破的，活塞與缸底的撞擊痕應(yīng)該位于缸底正中，因此假設(shè)不成立.由此基本可以推斷在緊急制動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，連接體內(nèi)油壓驟增，連接體首先發(fā)生破壞.

2.2 有限元分析

為驗(yàn)證上述推斷，對(duì)連接體進(jìn)行了45 MPa高壓下的有限元分析計(jì)算.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7.連接體材料選用ZG40Cr，鑄件經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，熱處理硬度要求28～32 HRC，δ5不小于15%，ψ不小于20%，強(qiáng)度極限為670 MPa.圖6示出了在45 MPa下連接體的最大應(yīng)力值663 MPa發(fā)生在連接體底部?jī)?nèi)圓角處.在45 MPa油壓下連接體可能首先從連接體底部?jī)?nèi)圓角處發(fā)生破壞，圖7示出了連接體結(jié)構(gòu)反面的應(yīng)力分布圖.有限元分析結(jié)果進(jìn)一步表明了前述推斷的合理性.在油壓驟增的制動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，連接體首先在底部并沿油道凸臺(tái)一側(cè)開(kāi)裂，缸底外翻，油壓急劇下降，浮動(dòng)活塞在氣壓作用下沖出與缸底發(fā)生碰撞，由于缸底已經(jīng)發(fā)生翻轉(zhuǎn)偏移，因此碰撞部位出現(xiàn)在油孔部位，缸底破碎，活塞飛出.圖8示出缸內(nèi)油壓驟然增高缸底發(fā)生破裂的簡(jiǎn)圖.

圖6 45 MPa油壓下連接體正面應(yīng)力分布圖

圖7 45 MPa油壓下連接體反面應(yīng)力分布圖

圖8 缸底發(fā)生破裂

3 連接體失效原因分析及解決措施

連接體斷口表面粗糙，屬于典型的脆性斷裂.對(duì)連接體進(jìn)行硬度測(cè)定和室溫沖擊性能試驗(yàn)，測(cè)得其硬度值為44 HRC，δ5小于1.5%，ψ小于3.2%，Aku小于7.4 J.綜合有限元分析結(jié)果，認(rèn)為連接體破裂的原因主要有以下幾點(diǎn):

1)連接體材料的硬度值實(shí)測(cè)為44 HRC，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值28 HRC～32 HRC.對(duì)于脆性材料，由于其沖擊吸收功很低，更易產(chǎn)生微裂紋［1］.對(duì)于處于異常脆性狀態(tài)的連接體，對(duì)缺陷的包容能力很差，微裂紋一旦產(chǎn)生便會(huì)迅速擴(kuò)展導(dǎo)致缸底脆性開(kāi)裂，因此連接體材料處于脆性狀態(tài)是導(dǎo)致其破裂的主要原因.

2)通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)連接體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)局部缺陷導(dǎo)致外力施加后結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力流會(huì)發(fā)生突變，這在一定程度上會(huì)降低整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲(chǔ)備.

為解決連接體失效問(wèn)題，從以下兩方面著手:

1)從材料本身出發(fā)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求對(duì)零件進(jìn)行熱處理，并加強(qiáng)過(guò)程控制.

2)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)連接體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出最佳結(jié)構(gòu)形式，既滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求又重量最小.

由結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件對(duì)結(jié)構(gòu)的材料分布進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后每個(gè)單元的材料分布情況將在0～1之間變化.根據(jù)反復(fù)跌代計(jì)算、優(yōu)化后的單元密度值確定何處該留材料，何處該去材料.將連接體結(jié)構(gòu)的螺紋連接區(qū)域、承壓區(qū)域和油道定義為非設(shè)計(jì)空間，其余區(qū)域定義為設(shè)計(jì)空間，將設(shè)計(jì)空間內(nèi)的單元指定為設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化目標(biāo)為體積最小，也即質(zhì)量最輕.優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)外形見(jiàn)圖9.考慮連接體結(jié)構(gòu)的加工工藝性，連接體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案見(jiàn)圖10.改進(jìn)后的連接體已進(jìn)行6000 km樣車(chē)試驗(yàn)，沒(méi)有出現(xiàn)任何故障.

圖9 優(yōu)化后連接體結(jié)構(gòu)示意圖 (材料密度值＞0.2)

圖10 連接體結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

4 結(jié)論

綜合斷口外觀觀察與有限元分析結(jié)果，確定了連接體失效主要是因?yàn)闊崽幚砉に囉姓`，使連接體處于異常脆性狀態(tài)，在油壓驟然增高時(shí)，連接體會(huì)從結(jié)構(gòu)最薄弱處發(fā)生破裂.從材料加工和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出連接體失效的解決措施.運(yùn)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法給出了連接體的合理結(jié)構(gòu)形式，改進(jìn)后的連接體結(jié)構(gòu)已完成6000 km樣機(jī)試驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)生故障.

［1］張 棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析 ［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004.