某款叉車驅(qū)動橋殼體臺架疲勞試驗(yàn)失效分析及改進(jìn)措施

摘要：針對某款叉車驅(qū)動橋殼體試驗(yàn)斷裂失效的問題，通過對斷面，材質(zhì)，工藝和結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析和判斷，得出導(dǎo)致殼體斷裂的原因，通過對結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化，使其順利通過了臺架試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：殼體斷裂；失效分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1" "故障失效描述

某新開發(fā)的叉車驅(qū)動橋殼體在進(jìn)行疲勞壽命的臺架試驗(yàn)，在進(jìn)行到68萬次加載時出現(xiàn)殼體斷裂。經(jīng)過肉眼檢查以及磁粉探傷檢查發(fā)現(xiàn)，殼體右側(cè)位置完全斷裂，左側(cè)位置通過磁粉探傷發(fā)現(xiàn)有明顯的微裂紋。對于試驗(yàn)結(jié)果，由于離100萬次加載的目標(biāo)僅完成了68%，不符合試驗(yàn)規(guī)范定義的“在完成100萬次加載之后不允許出現(xiàn)斷裂”的要求。基于該試驗(yàn)結(jié)果，必須對驅(qū)動橋殼體進(jìn)行失效分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2" "失效分析

失效部件材料為球墨鑄鐵GJS-450-10C （ISO 6892），需要對該部件的裂紋斷面進(jìn)行宏觀分析、金相顯微分析、材料化學(xué)成分分析、拉伸強(qiáng)度分析，評估確認(rèn)是否是存在鑄造工藝缺陷以及因材料問題導(dǎo)致的開裂失效。同時，針對開裂位置的受力大小進(jìn)行有限元分析，評估應(yīng)力分布以及應(yīng)力大小，確認(rèn)受力對裂紋的影響。斷面宏觀檢查如圖2所示。

從斷面的宏觀分析，可以明顯看到疲勞開裂的裂紋源，與臺架加載彎曲拉伸的位置一致。另外，從斷面上還發(fā)現(xiàn)了鑄造缺陷，存在明顯的氣孔。但從裂紋源位置，并沒有發(fā)現(xiàn)鑄造肉眼可見的缺陷，故認(rèn)為鑄造的氣孔缺陷不是造成裂紋的原因。

對斷面裂紋源位置取樣進(jìn)行金相顯微分析，裂紋源位置未見鑄造表層的缺陷。對其進(jìn)行材質(zhì)金相微觀分析，珠光體為25%，鐵素體的晶粒度為6.0～6.5級，未見其他顯著缺陷組織。Ⅵ型石墨構(gòu)成約為62%，Ⅴ和Ⅵ型石墨構(gòu)成約為 91%。石墨顆粒等級為6～7級。斷面金相微觀檢查如圖3所示。

對該失效部件進(jìn)行材料化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表1所示。從分析結(jié)果可知，化學(xué)成分合格。同時，對該材料進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試，從測試結(jié)果可知，拉伸測試合格。拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果如表2所示。

對開裂部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，評估應(yīng)力大小對開裂的影響。取驅(qū)動橋整橋殼體進(jìn)行有限元分析，加載的邊界條件按照臺架試驗(yàn)的工裝進(jìn)行約束和載荷加載。因分析軟件的限制，有限元分析只能按照線性分析，當(dāng)計(jì)算的結(jié)果高于屈服強(qiáng)度，則數(shù)值高于實(shí)際受力應(yīng)力大小。從分析的結(jié)果來看，開裂部位的應(yīng)力均遠(yuǎn)大于屈服強(qiáng)度。按照以往的經(jīng)驗(yàn)，對于有限元計(jì)算分析結(jié)果遠(yuǎn)大小屈服強(qiáng)度時，在進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)存在比較大的失效風(fēng)險(xiǎn)。

對于斷裂部件進(jìn)行材質(zhì)、工藝、受力分布進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，失效斷裂的與材質(zhì)、鑄造工藝沒有明顯關(guān)系。導(dǎo)致裂紋的主要原因是結(jié)構(gòu)圓角尺寸偏小，導(dǎo)致在試驗(yàn)加載中產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中。因此需要對開裂位置進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3" "改進(jìn)優(yōu)化方案

從有限元分析的結(jié)果可知，失效開裂的部位存在明顯的應(yīng)力集中，且應(yīng)力值明顯高于材料的屈服強(qiáng)度。因此需要對結(jié)構(gòu)的圓角進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化如圖4所示。具體措施如下：將部位“A”從R6增加到R7，并采用R30的圓角進(jìn)行過渡；對部位“B”從R10進(jìn)行倒角過渡；對部位“C”的R3采用R15的圓角進(jìn)行過渡。

針對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，按照同樣的有限元分析設(shè)置再進(jìn)行及計(jì)算分析。右側(cè)斷裂部位的優(yōu)化前后應(yīng)力對比如圖5所示。左側(cè)斷裂部位的優(yōu)化前后應(yīng)力對比如圖6所示。從計(jì)算的結(jié)果來看，開裂部位應(yīng)力值有明顯的優(yōu)化，數(shù)據(jù)均遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度。

4" "改進(jìn)效果

本文針對某款叉車驅(qū)動橋殼體試驗(yàn)斷裂失效的問題，通過對斷面，材質(zhì)，工藝和結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析和判斷，得出導(dǎo)致殼體斷裂的原因。對結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，對改進(jìn)后的驅(qū)動橋殼體再進(jìn)行臺架試驗(yàn)，該橋殼順利通過了100萬次的加載試驗(yàn)，證明此項(xiàng)改進(jìn)取得了成功。同時，該失效分析的方法和經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)新開發(fā)驅(qū)動橋殼體提供了設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)。