鋁合金液罐車局部損傷分析與維修

李自生 范雪峰 石磊

以一款鋁合金運油半掛罐車在長期使用后鞍座位置的局部損傷問題為例，系統地探討引發損傷的主要原因，并針對引發損傷的主要原因建立維修方案，為此類型車輛的局部損傷原因分析及維修方案制定提供借鑒。

鋁合金材料應用于載重貨運車輛以來，因其優越的經濟性能、安全性能、環保性能，逐漸成為貨運車行業的主要制造材料。尤其在成品油運輸方面，鋁合金液罐車更以其較低的材料密度，優越的導電性能，并且與成品油相容性好，不污染油品等優勢，成功替代碳鋼油罐成為主流運輸車型。

但隨著鋁合金罐車在成品油運輸行業的廣泛應用，罐車局部損傷與維修問題也逐漸成為一個新的行業熱點。由于鋁合金材料的自身特性及焊接時的環境要求有別于碳鋼材料，故維修市場上基于碳鋼罐車的維修經驗，應用于鋁合金液罐車并不適用，經常出現維修后，車輛經短期使用又發生二次損傷的問題。針對這一狀況，本文以一款鋁合金運油半掛罐車鞍座位置罐體損壞原因分析及維修方案確認為例，系統闡述鋁合金運油半掛罐車局部損傷后的原因研究與維修方案制定流程。同時針對維修后使用情況進行長期跟蹤記錄，以理論驗證與實踐驗證相結合的方式，驗證維修方案的可行性。

鞍座位置局部損傷描述及模型建立

1.鞍座位置局部損傷描述

鋁合金運油半掛罐車在長時間使用后，罐車與牽引車鞍座連接的位置附近常有結構件損傷發生。如不及時修理將導致罐體漏液，危害運營安全。經對國內多地區不同運營車輛的調研總結，此位置的損傷形式多呈現為裂紋形式，偶見斷裂形式。損傷多集中發生在牽引車鞍座對應的外部支撐角件根部、罐內防波板下過油孔邊緣處、罐內防波板背部加強環處等3處，如圖1～5所示。因使用區域路況不同，營運使用里程亦不同，罐車損傷程度差異較大。三種損傷有的同時存在，有的獨立存在。牽引用機車均為鋼板彈簧式懸架系統的牽引汽車。

2.鋁合金運油半掛罐車組成

圖1 支撐根部損傷

圖2 支撐對應位置

圖3 防波板下過油孔位置

圖4 過孔損傷

圖5 防波板背部加強環損傷

鋁合金運油半掛罐車主要由罐體、行走系統、防護裝置、管路系統、人孔、滅火器、支撐裝置、扶梯、備胎及備胎升降器、牽引座板等組成，如圖6所示。行走系統采用空氣懸掛形式 ，罐體與行走系統采用螺栓連接。罐體通過牽引座板與牽引車鞍座連接。在鞍座位置，由于底盤對罐體的作用力及罐體內部的綜合作用力，鞍座位置的罐體結構形式及結構件焊接時的焊接缺陷對罐體的可靠性影響最大。

3.模型的建立

綜合調研情況，考慮不同使用區域、不同路況及不同行駛里程情況下，罐體損傷的位置及程度不同，為了能對各損傷集中分析，模型建立時將損傷情況放大至已知的損傷全部發生，不同區域營運路況則定義為1級公路，以牽引銷為原點建立仿真模型，如圖7示。

考慮液罐罐體采用5系鋁合金板材制造，車架采用6系鋁合金型材制造，故模型采用以殼單元為主，輔以實體單元及梁單元的形式建立。罐內液體采用均布載荷等效，主要參數如表1所示。

計算與分析

一般引起機械結構損傷的涉及靜態、動態、撞擊三類設計因素，靜態設計是針對結構的強度和剛度；動態設計是針對使用壽命的疲勞特性，撞擊設計是針對操作或碰撞過程的能量吸收。從損傷的情況可以判斷損傷原因為靜態或動態設計因素導致的。對于哪一種是導致損傷的主要原因，筆者采用排除法，先利用有限元單元法對罐車模型進行靜態設計因素分析[2]。

1.靜態數據分析

有限元模型的簡化：a.不考慮罐內液體的晃動對結構的影響；b.附件如管路箱、備胎、罐頂圍框等，相對總質量較小予以省略。同時對牽引座上部罐體結構進行局部細化，以保證計算精度。模型單元數量為320244，節點數量為352793。

1.1 靜載工況

圖6 運油半掛罐車外觀

圖7 罐車仿真模型

表1 鋁合金運油半掛罐車基本參數表

車輛在靜載荷工況下，外部支撐處、防波板背部加強環處 、防波板下過油孔處應力云圖如圖8～10所示。

由圖中可見，靜載工況下，支撐角件根部最大應力為93MPa，加強環最大應力為83MPa，過油孔邊緣最大應力56MPa。

1.2 扭曲工況

車輛在扭曲工況下，外部支撐處、防波板背部加強環處 、防波板下過油孔處應力云圖如圖11～13所示。

圖8 外部支撐處靜載荷應力云圖

圖9 防波板背部加強環處靜載荷應力云圖

圖10 防波板下過油孔處靜載荷應力云圖

扭曲工況，支撐角件根部最大應力為123MPa，加強環最大應力為117MPa，過油孔邊緣最大應力為98MPa。

經過計算分析，可以發現在靜載工況時罐車自身結構強度滿足使用要求，扭曲工況時也未超過板材許用應力，滿足使用需求。靜態設計因素可以排除。

那么該處損傷的主要原因應為在營運過程中應力頻繁變化、波動引起的疲勞損傷。即路面的沖擊和振動經牽引車傳導至罐車牽引座板位置，引起該連接位置附近應力的頻繁變化波動，導致罐體自身結構件在小于允許靜載的低應力條件下產生的結構性損壞。即為動態設計因素。

2. 損傷原因分析

疲勞損傷通常是由高應力點產生最初裂紋導致的。一般在恒定負載情況下，裂紋會保持穩定狀態。但疲勞應力在周期應力頻繁變化、波動的情況下會增大，當裂紋以外的剩余截面不能夠充分承擔施加的峰值負荷，損壞就會發生。

圖11 外部支撐處扭曲應力云圖

圖12 防波板背部加強環處扭曲應力云圖

圖13 防波板下過油孔處扭曲應力云圖

在結構上疲勞損傷一般多發生在幾何形狀的突然變化點、結構中突然出現的斷點、熔焊的焊趾和焊根、緊固件螺紋的根部、機械損壞產生的斷點、焊接缺陷處、因腐蝕引起的凹坑處等位置。比對罐車與牽引車鞍座連接的位置附近結構件損傷的情況可發現，此位置為罐體上的高應力區，同時受路況影響，所受應力頻繁變化波動。牽引車鞍座對應的外部支撐角件根部損傷為沿焊接結合處裂紋，應為高應力區里熔焊的焊趾位置發生的疲勞損傷。罐內防波板下過油孔邊緣處損傷為橫向焊接結合處裂紋，應為高應力區里焊接缺陷處發生的疲勞損傷。罐內防波板背部加強環處損傷為沿焊接結合處裂紋，應為高應力區里結構中突然出現的斷點處發生的疲勞損傷。

圖14 外部支撐維修情況實例

圖15 防波板背部加強環維修實例

維修方案的確認

1. 牽引車鞍座對應的外部支撐角件根部損傷

該位置的應力既相對較大，又有頻繁變化、波動。直接對損傷處焊道采用重新焊接的維修方式不能解決該處應力相對較大的問題，對改善使用情況沒有降低損害風險的趨勢。故維修時考慮對該處結構進行改變，增加過渡墊板，墊板與縱梁螺接。此方案的目的為給予其一定的變形補償，改善該處的受力情況。維修后結構見圖14。

2. 罐內防波板下過油孔邊緣處損傷

該位置為焊接缺陷處，對該處采用去除焊接缺陷，重新焊接的方式。

3. 罐內防波板背部加強環處損傷

該位置出現了結構上的斷點，斷點出現在高應力區范圍內，直接對損傷處焊道采用重新焊接的維修方式不能解決斷點處的高應力。故對焊道補焊的同時還需對加強環進行補強，延長加強環的長度，使其斷點遠離高應力區范圍。維修后結構見圖15。

維修方案驗證

對制定的維修方案進行必要的設計驗證，以盡可能規避維修后發生二次損傷的風險。維修前采用有限元單元法進行理論驗證。考究靜態設計下的應力峰值變化情況。由于扭曲時應力變化明顯，校驗時只考究扭曲工況。維修后對維修車輛進行質量跟蹤驗證。

1. 理論驗證

針對先期分析結果，對設計維修方案進行理論驗算。因維修方案改變了外部支撐角件根部及防波板背部加強環位置的結構，故對這兩處進行扭曲工況校核。應力云圖如圖16、17所示。

圖16 外部支撐維修后扭曲應力云圖

圖17 防波板背部加強環維修后扭曲應力云圖

扭曲工況支撐角件根部最大應力52MPa，比維修前降低71MPa；加強環最大應力55MPa，比維修前降低62MPa。

2. 實際驗證

依據對損害問題原因分析情況，筆者在不同區域對類似損傷的車輛進行了指導、維修。并對車輛維修后使用情況進行了跟蹤記錄，所維修車輛在2年以上的營運時間里，超過20萬km的行駛里程下，維修位置未發生二次損傷。

結論

本文通過介紹某一款鋁合金運油半掛罐車鞍座位置罐體損壞原因的分析及維修方案的確認。闡述了鋁合金運油半掛罐車局部損傷后的原因分析研究及維修方案制定的流程。為鋁合金罐車使用過程中的損傷原因分析，維修方案制定提供了參考借鑒。對維修原因的分析及維修方案的設計，經過理論及實踐驗證，合理有效。所計算數據及實際營運驗證結果可作為鋁合金罐車使用過程中的同類損傷維修方案制定的依據。