某低入口前橋用工字梁失效分析

王 川

(吉客傳動科技(蘇州)有限公司， 江蘇 蘇州 215027)

城市客車、旅游客車匹配的低入口[1]前橋，不僅要承載整車重量，還要實現車輛的轉向等功能，承受制動過程中的軸荷轉移。因此，其安全性要求很高，而其工字梁的垂直彎曲疲勞試驗是驗證其疲勞壽命的重要手段[2]。

1 失效原因及分析

某低入口客車的前橋額定載荷為7 t。用該前橋的5根工字梁進行臺架試驗時[3-4]，其中2根在42萬次時于不同部位出現斷裂，如圖1所示。這2根工字梁疲勞壽命偏低，不符合QC/T 483—1999《汽車前軸疲勞壽命限值》[3]中B50壽命≥70萬次的評判要求。其余3根均通過70萬次疲勞試驗而未發(fā)生斷裂失效。

1#工字梁

2#工字梁

1.1 臺架試驗

根據QC/T 531—1999《汽車前軸臺架疲勞壽命試驗方法》[4]的要求，對臺架試驗的輸入參數進行核對，均符合要求，試驗如圖2所示。試驗的輸入參數見表1。

(a)前橋疲勞測試

(b)試驗正弦波載荷

表1 試驗輸入參數核對結果

1.2 原因分析

1) 硬度檢測。工字梁熱處理后表面硬度要求為250～290 HB。對斷裂實驗件斷裂處進行硬度檢測，在270～284 HB之間，均符合要求。

2) 材料的機械性能檢測。對斷裂部分進行取樣試棒機械性能檢測，結果見表2。其中抗拉強度均滿足>630 MPa的要求，屈服強度均滿足>370 MPa的要求，延伸率均滿足>14%的要求。

表2 機械性能檢測結果

3) 材料的金相檢測。分別對斷口處表面4 mm以下取樣進行金相檢測，金相組織分布如圖3所示。根據GB/T 13320—2007《鋼質模鍛件 金相組織評級圖及評定方法》評定為回火索氏體+少量鐵素體組織4級[5-6]，組織分布均勻，均符合要求。

1#工字梁500X倍放大圖

2#工字梁500X倍放大圖

4) 疲勞斷口分析。對失效件的斷口進行分析，斷口平齊，裂紋擴展區(qū)為30%，瞬時裂紋區(qū)為70%，斷裂方式為疲勞斷裂，如圖4所示。仔細檢查發(fā)現，2根出現斷裂的工字梁在斷裂處均有打磨痕跡，打磨的鋸齒狀表面產生了應力集中，打磨處為開裂源，從而導致工字梁斷裂失效。其余沒有斷裂的3根工字梁均沒有打磨的痕跡。

1#工字梁

2#工字梁

5) 打磨原因分析。分析斷裂工字梁打磨的原因，發(fā)現在工字梁磁粉探傷工序中，為了使工字梁通過磁粉探傷檢測，工人對工字梁中存在折疊多、飛邊大的部分鍛件進行過打磨。

2 整改措施及效果驗證

2.1 整改措施及試驗驗證

1) 整改措施。改進生產工藝，增加了對工字梁打磨后必須做噴丸處理的要求。通過噴丸去除表面殘余應力，對工字梁表面植入壓應力，提高疲勞強度。

2) 臺架試驗驗證。對采取整改措施后的新工字梁隨機抽樣2根進行臺架試驗，分別通過了90萬次和80萬次的疲勞試驗，均未發(fā)生斷裂失效等。

2.2 B50及B10壽命估算

按QC/T 483—1999[3]要求，利用以上疲勞試驗數據估算B50及B10壽命。具體過程如下：

汽車前后橋的疲勞試驗數據一般都符合威布爾分布[7]，采用《機械設計手冊》[2]中較為簡便的威布爾分布矩法估方法。

式中：n=5；x1=70萬次；x2=72萬次；x3=75萬次；x4=80萬次；x5=90萬次。

2) 計算測試樣本標準差sx，根據公式：

帶入以上數據可得：sx=4.354萬次。

3) 計算測試樣本偏態(tài)系數kk，根據公式：

帶入以上數據可得：kk=0.871。

5) 計算相應可靠度概率的疲勞壽命Np。對上述所求得的威布爾分布函數去自然對數，得到計算公式：

式中：B50和B10對應的可靠度概率R分別為0.5、0.9，帶入相應數值可得：B10對應的Np=71.976萬次；B50對應的Np=76.176萬次。

即該前橋工字梁均符合QC/T 483—1999[3]中B50不小于70萬次和B10不小于38萬次的指標要求。

3 結束語

對失效的工字梁進行材料的機械性能、金相組織、斷口等檢測分析，找到打磨是導致工字梁斷裂失效的原因。通過增加噴丸生產工藝，從而提高了工字梁的疲勞壽命，順利地通過試驗驗證，為后續(xù)工字梁的設計開發(fā)提供了參考[8-12]。