某車型“一字型”管梁失效分析及質量改進

羅致崗

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某車型“一字型”管梁失效分析及質量改進

羅致崗

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

針對某車型試驗中管梁斷裂失效問題，應用故障樹方法分別從設計因素、零部件因素、裝配因素和使用因素進行系統分析，最終確定問題產生原因并提出質量改進方案。

故障；斷裂；改進

1 問題描述

某6×6軍用越野車在陸軍試驗場進行可靠性試驗時發生了后橋附件縱梁外部“一字型”套裝管梁斷裂問題，故障里程8000Km。故障圖片見圖1。

圖1 故障圖片

2 建立故障樹

依據目前的故障模式，為了分析“一字型”管梁斷裂問題原因，建立以管梁斷裂為頂事件的故障樹[1]，見圖2。

圖2 管梁斷裂故障樹簡圖

下面按照故障樹列舉的底事件逐一分析。

2.1 設計因素

此結構管梁以前廣泛應用于其它車型，技術狀態沒有發生變更，管梁結構和材質以前未出現過類似質量問題，初步可判定設計過程滿足要求。

下面應用ANSYS軟件進行有限元分析，進一步驗證設計的合理性。

構建模型邊界條件。將固定托架與車架連接的四個螺栓孔施加固定約束，將固定托架上用于夾緊管梁的螺栓孔按Q/SQ 100400 中螺栓擰緊力矩要求，施加緊固力矩58～71 Nm, 相對應預緊力為23200～28400N（取其較小23200N）。將固定板總成、管梁等零件默認綁定約束，固定托架與管梁之間施加摩擦約束。給所有件施加重力，并分別前后（X方向）、上下（Z方向）加載加速度（相比靜載條件動態下受力更為惡劣），模擬車輛加速或制動以及在凹凸路面上下跳動時的受力。分為典型制動、加速/啟動、垂直上升和垂直下落四工況[2]。

a）工況1（典型制動) a= -0.65g（g為重力加速度，下同）見圖3所示。

圖3 制動過程中管梁應力分布

圖4 加速/啟動過程中管梁應力分布

b）工況2（加速/啟動）a=+0.5g見圖4所示。

c）工況3 （垂直上升）a=+2.5g見圖5所示。

圖5 上跳過程中管梁應力分布

圖6 下落過程中管梁應力分布

d）工況4（垂直下落）a=-2.5g見圖6所示。

分析結果顯示，在四種不同的工況下，最大應力均出現在管梁與固定托架連接的地方，最大應力分別為180.22 MPa、180.13MPa，173.05MPa和186.79 MPa，均沒超過20鋼材料屈服極限245 MPa，因此滿足使用要求。

通過上述分析，設計過程不存在風險，設計因素可予以排除。

2.2 零部件因素

檢驗配合尺寸（內外徑）及其它尺寸，均符合圖紙設計要求。

下面對故障件理化分析。

故障件宏觀檢查。送檢的斷裂零件外觀形貌見圖7。斷裂零件斷裂部位距端面116mm，圖7中左側為端部，右側為斷裂處。斷裂零件軸向約三分之一圓弧范圍內有明顯的低溫銹蝕現象，其余漆膜基本完整。斷裂處附近有明顯的摩擦、擠壓現象，局部有輕微壓塌現象，斷口周邊漆膜完全磨掉，露出新鮮的金屬本體，觀察斷口附近的軸向表面，隱約可見明顯的摩擦痕跡及擠壓形成的環向溝槽，見圖8。經查，斷裂的管梁零件以較大的間隙插入固定在汽車縱梁上的支座內，二者采用螺栓進行鎖緊。零件斷裂位置與其插入支座的根部位置基本吻合，管梁斷裂處軸向的磨痕系二者之間發生微小相對位移、相互摩擦所致。

另外，斷裂管梁斷口稍不平齊，大致與零件軸問重直，表面較均勻的覆蓋黃褐色氧化物，經化學方法清洗后，斷口金屬光澤明顯，明暗程度稍有差異，清洗后的斷口左側約三分之一區域內色澤稍亮且稍光滑,此區域應為疲勞源及擴展區，右側約三分之二區域內色澤稍暗，右側區域斷口邊緣可見輕微剪切唇，為最后斷裂區域。

圖7 斷裂件形貌

圖8 斷口形貌

綜合檢測分析。在零件斷裂處縱向剖開，基體組織為鐵素體+珠光體，晶粒細小，出現帶狀分布。晶粒度分別8-9級，帶狀組織可評為2級，未見明顯的三次滲碳體?；w硬度平均值為166HV10。材質化學成分經檢測符合要求。通過確認，磨損部位為疲勞擴展區域，未磨損區域可見二次斷裂。

根據材料理化分析結果，并不存在材料本身的缺陷。因此，此零部件因素可予以排除。

2.3 裝配因素

裝配時，若固定托架上鎖緊螺栓未按技術要求緊固時，管梁在固定托架徑向運動，在整車行駛過程中來回晃動，產生交變應力，易疲勞失效，發生斷裂。

檢查裝配記錄，當時裝配過程緊固螺栓力矩符合工藝要求，因此裝配因素可以排除。

2.4 使用因素

車輛在越野路面行駛時，管梁固定托架緊固緊螺栓因劇烈振動可能會松曠，如未及時緊固螺栓，管梁會在內托架發生微小位移，容易疲勞斷裂。此次故障就發生在試驗過程中，支架產生斷裂與行駛過程的維護保養、工況等有關，因此，使用因素不可排除。

如上分析，引起管梁斷裂原因為固定托架未能鎖緊管梁，管梁在托架內徑向運動，進而受沖擊交變載荷形成局部應力集中，最后產生疲勞斷裂。

3 分析結論

斷裂管梁材質質量合格；管梁與支座發生相對位移，最終發生疲勞斷裂。

從管梁有限元分析情況可知，管梁設計強度滿足使用要求。依據理化分析判定為疲勞斷裂。從管梁的設計結構分析，所受外載荷不足以導致管梁斷裂。但也不排除管梁在使用過程中螺栓未打緊或螺栓松曠后未及時緊固等因素，螺栓鎖止不可靠導致車輛在凹凸不平路面、加速及制動過程中，管梁及支架產生震動，對管梁產生沖擊載荷。

4 質量改進

為了解決特殊使用工況下管梁失效問題，對管梁支架結構進行設計改進。即在管梁尾端采用硫化橡膠結構，與固定座之間達到過盈配合，避免使用過程中螺栓未及時緊固而造成管梁在支架中移動所引起的疲勞斷裂問題。

[1] 王為江,陳國泰.質量管理技術及其應用[M].中國石化出版社, 2014.

[2] 趙一文,李鴻斌.故障模式分析及研究[J].汽車應用研究,2016,(7) 11-15.

Failure analysis and quality improvement of "one type" pipe girder of a heavy truck model

Luo Zhigang

（Shaanxi heavy vehicle co. LTD., Shaanxi Xi'an 710200）

Aiming at the fracture failure problem of pipe girder in the test of a certain vehicle model, the fault tree method was applied to analyze the design factor, component factor, assembly factor and use factor, respectively, and finally determine the cause of the problem and put forward the quality improvement plan.

fault; fracture; improvement

U467

B

1671-7988(2019)09-153-03

U467

B

1671-7988(2019)09-153-03

羅致崗，男，碩士，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.049