重卡后提升軸斷裂失效分析與改進(jìn)*

□ 王 猛 □ 蔡士祥 □ 鄧飛燕 □ 王傳頌 □ 張 偉 □ 譚 偉

中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南橋箱有限公司 濟(jì)南 250001

1　故障情況

某型重卡在行駛過(guò)程中，后提升軸突發(fā)斷裂［1］。斷裂處位于推力桿座總成與軸管焊接處，故障形式為軸管整體斷裂［2］，如圖1所示。該提升軸軸管材料為45號(hào)鋼，規(guī)格為φ146 mm，壁厚為14 mm，采用焊接工藝。由于該提升軸斷裂失效情況較為突出，因此筆者借助理化檢測(cè)設(shè)備及ANSYS Workbench有限元分析軟件，對(duì)斷裂的提升軸進(jìn)行系統(tǒng)分析，并討論其斷裂失效原因。

▲圖1 后提升軸斷裂情況

2　理化試驗(yàn)與分析

2.1　同型號(hào)軸管探傷檢測(cè)

抽樣30件該型號(hào)提升軸軸管，進(jìn)行超聲檢測(cè)和磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)表面缺陷和內(nèi)部裂紋現(xiàn)象。

2.2　同型號(hào)軸管機(jī)械性能檢測(cè)及分析

對(duì)同型號(hào)提升軸軸管機(jī)械性能進(jìn)行檢測(cè)，其抗拉強(qiáng)度為650 MPa，屈服強(qiáng)度為420 MPa，伸長(zhǎng)率為22.1%，機(jī)械性能符合要求。

2.3　斷裂軸管斷口分析

用酒精擦去軸管斷口的浮銹，觀察斷口，如圖2所示。初步斷定圖2中A區(qū)域光滑明亮處為斷裂源［3］，沿B區(qū)域逐步向下撕裂至C區(qū)域。對(duì)斷裂源進(jìn)行局部取樣、拋光腐蝕處理［4］，如圖3所示，用電子顯微鏡觀測(cè)到焊縫根部存在一道細(xì)微裂紋。在斷裂源A區(qū)域發(fā)現(xiàn)直徑約為0.15 mm的粒狀雜質(zhì)，并在雜質(zhì)處發(fā)現(xiàn)二次裂紋。由于夾雜與基體材料結(jié)合松散［5］，而且破壞了材料的連續(xù)性，因此提升軸在受到交變扭矩疲勞載荷作用時(shí)，尺寸較大的冶金夾雜成為應(yīng)力集中點(diǎn)，然后導(dǎo)致疲勞裂紋［6］。疲勞裂紋在載荷作用下開(kāi)裂形成主裂紋，裂紋快速擴(kuò)展，形成放射狀條紋，并最終斷裂。

▲圖2 軸管斷口

▲圖3 斷裂源

2.4　化學(xué)成分檢驗(yàn)與分析

在室溫20℃、相對(duì)濕度40%的條件下，對(duì)提升軸軸管斷口進(jìn)行取樣分析，其化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

該提升軸軸管試樣中，碳、硅、錳含量接近標(biāo)準(zhǔn)值上限，磷、硫、鉻接近標(biāo)準(zhǔn)值下限，元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8162—2008《結(jié)構(gòu)用無(wú)縫鋼管》的要求。

2.5　金相組織分析

如圖4所示，提升軸總成在使用過(guò)程中沿著焊縫產(chǎn)生裂紋，裂紋在軸管母材延展，造成母材缺陷發(fā)生斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致軸管斷裂。提升軸的材料為45號(hào)鋼，經(jīng)傳統(tǒng)淬火加中溫回火處理后，正常的組織為回火屈氏體。在斷裂提升軸上取樣，磨制拋光后，經(jīng)4%硝酸乙醇溶液腐蝕，采用金相顯微鏡觀察試樣，確認(rèn)該試樣的金相組織為片狀和板條狀兩形態(tài)的回火馬氏體，如圖5所示。

▲圖4 未腐蝕軸管裂紋部位

▲圖5 腐蝕后軸管裂紋部位

該提升軸軸管材料碳含量為0.42%～0.50%，碳當(dāng)量達(dá)0.59%～0.72%。在碳當(dāng)量≥0.5%時(shí)，鋼材易于淬硬，焊接性能差［7］，若焊接后冷卻過(guò)快，極易產(chǎn)生焊接應(yīng)力及馬氏體組織缺陷，造成冷裂紋的產(chǎn)生。馬氏體不是一種平衡組織，由奧氏體急速冷卻形成，淬火過(guò)程不容易控制［8］，熱處理后很可能獲得過(guò)量的馬氏體組織。馬氏體含量過(guò)高，則材料性能硬而脆；馬氏體含量過(guò)低，則材料韌性較高。采用回火工藝可減小馬氏體的含量。

3　結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

該提升軸通過(guò)中心氣囊與車架本體連接，為橋殼提升提供動(dòng)力。提升軸四周安裝四個(gè)平衡氣囊，空載時(shí)橋殼提升，中心氣囊充氣，周圍四個(gè)平衡氣囊放氣，提升軸總成抬起。滿載時(shí)中心氣囊放氣，周圍四個(gè)平衡氣囊充氣，提升軸總成落下。提升軸氣囊共附帶四個(gè)壓力傳感器，保證提升軸受力均勻，排除理論上受力不均勻?qū)е碌臉驓嗔?，提升軸失效形式主要為循環(huán)變載荷下的疲勞失效。

為明確提升軸應(yīng)力集中點(diǎn)，筆者應(yīng)用ANSYS Workbench有限元軟件，對(duì)提升軸彎曲載荷作用下的靜力學(xué)進(jìn)行有限元建模分析。在ANSYS中建立提升軸有限元模型，如圖6所示。在提升軸推力桿座表面施加約束，在左右兩端軸頭上同時(shí)施加豎直向下的98 kN載荷力，通過(guò)分析計(jì)算分別得到提升軸受力變形圖和提升軸應(yīng)力分布云圖，如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，提升軸存在彎曲變形，主應(yīng)力在兩端軸頭的軸肩側(cè)面，應(yīng)力最大值為182.51 MPa。該處為提升軸軸管理論應(yīng)力集中點(diǎn)，使提升軸兩側(cè)軸頭成為疲勞危險(xiǎn)斷面，易發(fā)生早期疲勞斷裂。當(dāng)車輛因越障、側(cè)傾、緊急制動(dòng)而受到?jīng)_擊時(shí)，車體的變形使提升軸產(chǎn)生附加彎矩。該附加彎矩造成軸頭端部出現(xiàn)主應(yīng)力最大值，從而成為疲勞危險(xiǎn)斷面，致使提升軸的疲勞斷裂經(jīng)常發(fā)生在軸頭靠近軸頸的端部。如圖1所示，該提升軸斷裂位置位于軸管中間位置及推力桿座總成焊接處附近，與有限元分析所得的理論斷裂面位置存在差異，由此確認(rèn)該提升軸斷裂并非結(jié)構(gòu)性應(yīng)力斷裂。

▲圖6 提升軸有限元模型

▲圖7 提升軸受力變形圖

▲圖8 提升軸應(yīng)力分布云圖

4　斷裂原因確認(rèn)

通過(guò)提升軸信息追溯，該提升軸斷裂橋殼為12月份生產(chǎn)。此時(shí)北方冬季天氣寒冷，氣溫較低，焊后焊縫冷卻快，易產(chǎn)生片狀馬氏體，同時(shí)馬氏體的硬度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而升高，當(dāng)含碳量達(dá)到0.6%時(shí)，淬火鋼硬度接近最大值［9］，材料硬而脆。零件中存在一些應(yīng)力集中處，如鉆孔、焊接應(yīng)力集中處，以及圓角等，使零件的截面突然發(fā)生變化而產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易形成疲勞斷裂源，這是造成該提升軸斷裂的主要原因［10-11］。

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)重卡后提升軸斷裂失效進(jìn)行研究，依據(jù)理化檢驗(yàn)及有限元分析，確認(rèn)造成提升軸斷裂的原因?yàn)楹附討?yīng)力集中和組織缺陷。增加穩(wěn)定的預(yù)熱保溫措施，對(duì)現(xiàn)有焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)對(duì)提升軸軸管材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，可以提高重卡后提升軸的質(zhì)量。

［1］ 齊學(xué)義，王巖，敏政．多級(jí)泵軸斷裂分析［J］．江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（11）：502-506.

［2］ 謝劍波，魏忠宣，萬(wàn)飛，等．一種重卡管狀橫梁斷裂的失效分析及改善方法［J］．四川兵工學(xué)報(bào)，2012（6）：66-68.

［3］ 潘晶，晏建武，王偉蘭．輕型汽車后橋半軸斷裂件的組織及斷口特征［J］．寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2004（2）：179-181.

［4］ 張亦良，姜公鋒，徐學(xué)東，等．汽車轉(zhuǎn)向橫拉桿斷裂失效分析［J］．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（10）：1317-1323.

［5］ 朱有利，謝俊峰，黃元林，等．某型車輛扭力軸疲勞斷裂失效分析［J］．裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（5）：78-81.

［6］ 才慶魁．金屬疲勞斷裂理論［M］.沈陽(yáng):東北工學(xué)院出版社，1989．

［7］ 陳勝，蘇強(qiáng)．中碳結(jié)構(gòu)鋼焊接工藝［J］．四川兵工學(xué)報(bào)，2008（5）：65-66.

［8］ 夏子鈺.高強(qiáng)鋼焊接接頭CTOD微觀組織影響研究與BS7910 缺陷評(píng)定［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

［9］ 蘇竹.熱沖壓用鋼BR1500HS高溫流變行為研究及淬火工藝優(yōu)化［D］.重慶：重慶大學(xué)，2012.

［10］吳本喜．汽車零件的疲勞斷裂及預(yù)防［J］.農(nóng)機(jī)使用與維修，2006（5）：51-52.

［11］趙玉梅，張紅霞.汽車后橋從動(dòng)齒輪的失效分析［J］.機(jī)械制造，2011，49（2）：71-73.