某型礦車鉸接軸斷裂失效分析及改進

何景強

（中國煤炭科工集團 太原研究院，太原 030006）

0 引言

煤礦井下環境惡劣，路面坑洼不平，車輛重載過程中，鉸接軸受到的沖擊載荷巨大[1]，且煤礦生產任務重，車輛經常需要連班運行，往往得不到及時的維護與保養，導致部分車輛出現鉸接軸斷裂失效事故。本文通過對鉸接軸斷面的宏觀觀察和有限元分析，找到了鉸接軸斷裂失效的原因，并主要針對其結構方面提出了改進措施。

圖1 礦用鉸接車輛鉸向結構示意圖

礦用鉸接車輛結構上主要由前機架和后機架兩大部分組成，如圖1所示。前、后機架通過中間鉸接裝置及一根水平鉸接軸相連，前機架和中間鉸接裝置之間由兩根垂直鉸接銷和兩根對稱布置的轉向油缸相連，從而實現鉸接轉向，中間鉸接裝置與后機架之間通過一根水平鉸接軸連接，鉸接軸與后機架之間通過一對向心滾子軸承支撐，當路面不平時，通過后機架與鉸接軸之間的小范圍轉動來適應左右不平的路面，如圖2所示。因此鉸接軸在工作中主要承受循環單向彎曲載荷和徑向的剪切應力[2]。

圖2 鉸接結構剖視圖

1 斷口宏觀觀察

軸類零件斷裂的原因非常復雜，往往與其設計尺寸、形狀、材料的缺陷、冷熱加工工藝、受載狀態、設備的安裝使用情況、以及其他零部件發生故障等情況有關。圖3為某礦用車輛鉸接軸的斷面照片，斷裂位置位于其與軸承Ⅰ配合段前端的軸肩與鍵槽的尾端部分。斷口基本與軸向垂直，根據斷面的粗糙程度及顏色可以看出，斷面上大致呈現出三個不同的區域，如圖3(a)所示。靠近軸表面鍵槽尾部明顯可見數段圍繞鍵槽缺口的數段疲勞弧線，如圖3(b)所示；位于軸的中間部分顏色較亮且粗糙的區域，呈現出典型向周圍放射狀的“貝殼花樣”。而剩余部分顏色較新且呈現出相對粗糙的結晶狀。根據斷面裂紋形貌繪制出斷面形態示意圖，如圖3(c)所示。疲勞弧線是識別疲勞端口的重要標志，對于結構鋼承力構件的疲勞斷口來說尤其如此，因此可以確定，鉸接軸屬于疲勞斷裂[3～5]。

在宏觀疲勞斷口上，瞬時斷裂區面積所占的百分比，對于判斷疲勞應力的高低很有價值，一般說來, 瞬斷區面積越小, 疲勞應力越低[5]。可以根據瞬時斷裂區的面積和材料的缺口拉伸斷裂強度來粗略地估算零件所承受的最大循環應力（σmax），即：

式中，σb為材料的缺口拉伸斷裂強度（Kg/mm2）；An為瞬時斷裂區的面積（mm2）；A為包括瞬斷區在內的整個疲勞斷口面積（mm2）。已知鉸接軸的材料參數為：彈性模量E=206×105，泊松比為0.3，σb=980MPa，σs=835MPa。由圖3(c)中可以看出鉸接軸的瞬斷區面積約為總斷面面積的72%，則計算可得鉸接軸所承受的最大循環應力約為705.6MPa。

圖3 鉸接軸宏觀斷面圖

2 鉸接軸的有限元分析

為了進一步確定鉸接軸斷裂的原因，對使用此車輛的煤礦的路面條件進行了勘察，現場勘察發現在車輛駛過的路面中存在跨度為980mm，深為150mm的V形路面，已知車輛滿載車速為0～10km/h。針對此工況條件，在多體動力學軟件中對車輛滿載工況進行動力學仿真求解。可以得到車輛各部件的加速度、速度、位移以及各個鉸接點和輪胎所受的力，因此可以求得任一部件的受力狀態和運動狀態，從而為各部件的有限元分析提供了載荷依據。在有限元軟件中將中間鉸接部分連同鉸接軸一起進行加載求解。分別求得鉸接軸在不同車速和不同安裝方式下的平路與過坑工況下的受力狀態。

圖4 鉸接軸的應力云圖

圖4為滿載車輛以10km/h的速度過坑工況下鉸接軸的應力云圖。由圖4(a)可見，當鉸接軸上的鍵槽朝下安裝時，最大應力為676.14MPa，與前文公式估算得到的最大循環應力相近，且小于材料的屈服極限，因此可以得出當車輛以10km/h的速度行駛時，鉸接軸承受了平均值為284MPa，最大值為676.14MPa，最小值為0MPa的交變循環應力。而最大應力點的位置出現在鍵槽末端，與實際斷裂面的疲勞源相吻合，即鉸接軸是在較小的交變循環應力作用下產生疲勞斷裂，疲勞源為鍵槽尾端。當鉸接軸上的鍵槽朝上安裝時最大應力為647.85MPa，與鍵槽朝下安裝所得最大應力相比十分接近且小于后者，位置出現在軸的另一側，且位于同一截面內，如圖5(b)所示。由此可見同種工況下，兩種安裝方式的最大應力值差別不大，但鍵槽朝上安裝將使得鍵槽部分產生應力集中，從而容易產生疲勞裂紋，這是由于鉸接軸承受了巨大的單向彎矩所導致。因此鉸接軸安裝時要注意鍵槽朝上安裝。

為了研究不同車速過坑對鉸接軸受力的影響，分別在10km/h、7.5km/h、5km/h三種車速下對鉸接軸的受力，進行仿真分析，所得結果如表1所示。由表1可見，車輛過坑時，隨著車速減慢，鉸接軸的受力成倍減小，而車輛平路行駛時，車速對鉸接軸的受力影響卻相對較小，因此當車輛過坑時，司機必須減速慢行，避免野蠻行車，否則對鉸接軸的損傷極大，縮短鉸接軸的使用壽命。

表1 鉸接軸最大應力值σmax（MPa）

3 鉸接軸結構優化

由于鉸接軸為連接前后機架的關鍵部件，其壽命直接影響著車輛的使用和煤礦運輸的效率。而影響鉸接軸壽命的因素頗多，為此本文在不改變原有機架結構的情況下僅對鉸接軸的結構進行了優化。在圖4中可以看出，鉸接軸的危險截面為中間鉸接裝置與后機架的安裝平面上，此截面承受著巨大的剪力，因此將此部分截面積加大，原結構的兩個對心滾子軸承相應更換為軸套，而靠近此截面的鍵槽是疲勞裂紋敏感區，將鍵槽長度變小，遠離危險截面，鉸接軸優化后的結構如圖5所示。以相同的加載方式和載荷對鉸接軸進行有限元分析結果如圖6所示。可以看出優化后的應力云圖較優化前受力均勻，應力值顯著降低，從而降低了鉸接軸疲勞敏感性。經過長時間的實踐檢驗，優化后的鉸接軸使用良好，未再次出現斷裂失效事故。

圖5 優化后中間鉸接部分局部放大圖

4 結論

圖6 優化后鉸接軸的應力云圖

鉸接軸主要承受循環單向彎曲載荷和徑向剪切應力。由于礦用車輛相對于普通車輛要求在復雜工況條件下的高可靠性，因此在設計鉸接軸時應在結構方面盡力增大危險截面的面積，以提高抗剪強度及其可靠性，避免在危險截面附近出現軸肩或鍵槽等不連續表面，以免出現疲勞敏感區；在工藝方面降低零件表面的粗糙度值，對零件表面進行鈍化處理，如滲碳、氮化、表面淬火等；安裝鉸接軸時，應根據鉸接軸的受力特點來確定合理的安裝方式，尤其承受單向重載的軸類零件，避免鍵槽等容易應力集中的特征出現在軸受力較大的一側；在車輛使用方面，當車輛重載通過路況較差的路段時，司機應減速慢行來降低對鉸接軸及其他各部件的沖擊，同時應根據具體使用情況經常對車輛的關鍵連接部分進行必要的檢查，定期保養，定期大修，防患于未然。

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