某型號銑刨機燃油箱的開裂原因及改進措施

摘要：針對用戶反饋的某型號銑刨機燃油箱開裂滲油問題，通過對燃油箱進行局部剖切發(fā)現(xiàn)其開裂部位，分析了燃油箱鋼板疲勞斷裂原因，通過對燃油箱進行有限元分析確定了燃油箱疲勞斷裂的原因，據(jù)此提出并實施了改進措施，改進后燃油箱的變形和等效應(yīng)力均大幅度下降，經(jīng)過后續(xù)產(chǎn)品試裝未發(fā)生燃油箱開裂問題，改進措施取得了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：銑刨機；燃油箱開裂；有限元分析；疲勞斷裂；等效應(yīng)力

0" "引言

燃油箱是銑刨機燃油供給系統(tǒng)的關(guān)鍵部件[1]，其安全性和可靠性直接影響整機性能。根據(jù)市場反饋，某型銑刨機的燃油箱出現(xiàn)了多起漏油現(xiàn)象。經(jīng)過現(xiàn)場服務(wù)人員檢查后發(fā)現(xiàn)，漏油的原因大都是燃油箱連接板焊縫外側(cè)板開裂。為此，本文對該型燃油箱開裂問題展開研究，結(jié)合有限元分析結(jié)果及設(shè)計經(jīng)驗，提出改進措施，提高該型燃油箱結(jié)構(gòu)強度，保證其可靠性滿足該型銑刨機產(chǎn)品的配置需要。

1" "燃油箱結(jié)構(gòu)

考慮到燃油箱的可靠性、耐高溫性能和制造成本，選用材質(zhì)為Q355B、厚度為4mm的鋼板通過拼焊進行制造，所有焊縫采用ER50-6焊絲和CO2混合氣體保護焊方法進行焊接。中間隔板將燃油箱上下空間分割成兩個聯(lián)通的腔體。某型號銑刨機燃油箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2" "燃油箱開裂部位及原因分析

2.1" "燃油箱開裂部位

現(xiàn)場反饋該型號銑刨機使用400h后，燃油箱上部折彎板與隔板連接拐角處出現(xiàn)滲油現(xiàn)象。將燃油箱進行了局部剖切，以便發(fā)現(xiàn)其開裂部位，剖切后發(fā)現(xiàn)燃油箱焊縫并未開裂，其裂紋由油箱內(nèi)壁開裂向外壁擴展，開裂部位位于拐角焊根處，該裂縫有明顯的疲勞弧線，且存在瞬間斷裂區(qū)[2]，這說明燃油箱漏油不是由焊縫失效引起，而是由焊縫臨近鋼板疲勞斷裂引起。

2.2" "分析燃油箱鋼板疲勞斷裂原因

相關(guān)文獻指出，焊縫失效通常分為焊核開裂和板邊開裂兩種模式[3]。分析認(rèn)為，該裂縫明顯屬于沿板厚度穿透型斷裂的板邊開裂，疲勞裂縫出現(xiàn)在臨近焊縫處。由此可知該焊接接頭失效并不是焊核開裂或焊道強度不夠，而是結(jié)構(gòu)設(shè)計、焊道設(shè)計有缺陷。

進一步觀察發(fā)現(xiàn)，隔板內(nèi)部無焊道，這與設(shè)計圖紙不符，懷疑該處焊道缺失導(dǎo)致了燃油箱內(nèi)部受壓、外板脹開，焊接接頭受到過大的集中力和彎矩作用形成應(yīng)力集中，而基材（鋼板）的強度弱于焊道強度，導(dǎo)致了基材撕裂。

3" "燃油箱有限元分析

3.1" "模型簡化和網(wǎng)格劃分

燃油箱開裂位置為焊根處，因此對非重點區(qū)域模型進行簡化。為了盡量詳細(xì)捕捉燃油箱結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，對關(guān)鍵焊道進行了實體建模，并采用Hyper Mesh有限元分析和仿真軟件進行六面體實體網(wǎng)格劃分[4]。整體網(wǎng)格尺寸控制在10mm，對開裂區(qū)域進行網(wǎng)格細(xì)化，生成的網(wǎng)格單元數(shù)為186408個。

3.2" "邊界條件

燃油箱各零件之間按照實際情況設(shè)置接觸，尤其關(guān)注開裂處鋼板與焊道之間的相互作用，焊道與折彎板綁定、折彎板與折彎板之間設(shè)置為摩擦，轉(zhuǎn)軸處僅釋放繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的自由度，側(cè)板兩個螺孔位置固定所有自由度[5]。

銑刨機工況較為惡劣，燃油箱在工作過程中會受到其內(nèi)部柴油的較大的沖擊。燃油箱滿載容積為141L，燃油箱側(cè)板承受著重力加速度的影響，該重力加速度對側(cè)板的沖擊力可達到9400N。

3.3" "分析結(jié)果

通過ABAQUS工程模擬有限元軟件對燃油箱進行靜力學(xué)分析，其最大變形位于燃油箱側(cè)板位置，最大變形量為5.70mm；其最大應(yīng)力位于隔板與外側(cè)板拐角處，最大等效應(yīng)力為5.61MPa。原結(jié)構(gòu)燃油箱變形及等效應(yīng)力如圖2所示。

分析認(rèn)為，燃油箱在內(nèi)部燃油沖擊壓力的作用下，變形量過大，承受的等效應(yīng)力過大，其最大應(yīng)力位置與燃油箱開裂位置相同，開裂原因可判斷為燃油箱內(nèi)部沖擊造成其側(cè)板拐角處應(yīng)力集中，導(dǎo)致燃油箱側(cè)板拐角處焊縫臨近鋼板疲勞斷裂。

4" "燃油箱的結(jié)構(gòu)改進

4.1" "改進措施

針對燃油箱側(cè)板拐角處焊縫臨近的鋼板疲勞斷裂問題，采取以下改進措施：一是按照燃油箱圖紙要求將其內(nèi)部隔板與外部鋼板之間的接觸區(qū)域?qū)嵤┖附樱欢沁m當(dāng)延長隔板，避免隔板與側(cè)板拐角處出現(xiàn)應(yīng)力集中；三是在燃油箱內(nèi)部增加上、下貫通的筋板，隔板與筋板、側(cè)板焊接。燃油箱原結(jié)構(gòu)與改進后的結(jié)構(gòu)對比如圖3所示。

4.2" "改進效果

實施上述改進措施后，按照前述方法采用Hyper Mesh有限元分析和仿真軟件對燃油箱進行網(wǎng)格劃分，生成的網(wǎng)格單元數(shù)為305160個，對改進后的燃油箱模型施加相同的載荷、約束，進行靜力學(xué)分析。改進后的燃油箱變形和等效應(yīng)力如圖4所示。

由圖4a可知，改進后燃油箱的最大變形位置在燃油箱外側(cè)板靠下位置，最大變形量為4.16mm，與原結(jié)構(gòu)相比減小了27.02%；由圖4b可知，改進后燃油箱對應(yīng)原結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力最大值位置（即燃油箱上部折彎板與隔板連接拐角處）的應(yīng)力為2.98MPa，與原結(jié)構(gòu)相比減小了46.88%。

5" "結(jié)束語

本文對燃油箱開裂問題進行了有限元分析，明確了燃油箱開裂的原因，根據(jù)仿真結(jié)果并結(jié)合工程實際進行了結(jié)構(gòu)改進。對改進后的燃油箱進行了有限元分析，分析結(jié)果表明，改進后的燃油箱最大變形量減小了27.02%，原結(jié)構(gòu)薄弱位置的等效應(yīng)力下降了46.88%。經(jīng)過后續(xù)產(chǎn)品試裝跟蹤800h，未發(fā)生燃油箱開裂問題，證明改進取得成功。

參考文獻

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[3] 朱長壽，韋麗麗，農(nóng)棉庚，等.某型裝載機燃油箱開裂分析及改進[J].裝備制造技術(shù)，2022（8）：145-155

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[5] 程張.基于Abaqus和Fe-safe平臺的正交異性鋼橋面板疲勞壽命分析[D].西安：長安大學(xué)，2021.