某16噸橋殼疲勞試驗斷裂失效分析

王歡銳，王芳霞

引言

近年來，各主機廠對車橋橋殼的疲勞壽命均比較重視，在新產品出廠前必須進行橋殼疲勞臺架試驗，保證 2.5倍額定載荷下橋殼的平均低值壽命不小于80萬次。某公司新開發的16噸橋殼在疲勞臺架試驗時，兩根橋殼均在圖1所示位置出現斷裂失效，疲勞壽命分別為：53萬次和63萬次，裂源位置及斷口具體形貌如圖 2，可以看出，開裂處為橋殼軸頭結構突變的圓弧過渡位置受拉面，可觀察到明顯的疲勞小臺階。

1、失效原因分析

1.1 金相組織、強度

在2根橋殼失效位置，即軸頭受拉側裂源部位取樣進行解剖，金相組織及硬度檢測結果如表 1。可以看出，此處的組織和硬度均符合技術要求。同時對斷裂軸頭進行成分分析，符合GB/T 3077對30Mn2的技術要求。

在失效橋殼軸頭其他部位取Φ5的短標矩試樣進行力學性能檢測，結果如表 2，可以看出，橋殼軸頭失效附近的強度基本滿足設計要求，不是造成橋殼總成早期失效的主要原因。

表1 橋殼裂源處金相組織及硬度檢測結果

表2 失效橋殼軸頭部位力學性能檢測結果

1.2 尺寸及粗糙度

由圖2可以看出，裂源部位為兩段圓管連接的過渡圓弧，對過渡圓弧及兩側軸頸及壁厚進行檢測，結果如表 3，可以看出，失效橋殼的軸頭部位尺寸及壁厚均符合技術要求，不是造成其失效的主要原因。

表3 軸頭斷裂部位尺寸檢測

接著對裂源處的圓弧處的粗糙度用粗糙度檢測儀檢測，檢測結果為Ra3.2。較之于圖紙規定的Ra1.6略大，不符合要求。由于現場機加工磨Ф110外圓時，砂輪較大，靠不到圓弧過渡的根部，故裂源部位的R圓弧過渡是靠前道工序的精車來保證，粗糙度較大。

由斷裂力學可知，表面粗糙度值愈大，表面的溝痕愈深，紋底半徑愈小，應力集中越嚴重，抗疲勞破壞能力就愈差，此次試驗橋殼Ra3.2的粗糙度對應的應力集中系數最小約1.43（技術要求的Ra1.6對應系數未超過1.33），如表4，在相同存活率下，表面粗糙度與表面微缺口的對數疲勞壽命呈二次曲線關系，可以看出，隨粗糙度增大，疲勞壽命降低明顯[3]。

表4 各個模型的疲勞壽命

1.3 結構及應力集中

橋殼疲勞試驗為模擬整橋在垂向工況下，考慮2.5倍沖擊載荷的四點彎曲試驗，按照彎矩分布，計算裂源處承受的疲勞應力為316MPa。

經觀察，失效橋殼在開裂位置附近結構突變較大，從Ф 137過渡到Ф110，過渡圓角R5。

根據應力集中系數手冊[4]，對周向有圓角過渡臺肩的圓桿的彎曲（大端直徑為D，小端直徑為d），當圓桿承受彎曲力矩時，最大應力σmax發生在小端表面與過度圓弧的切點E附近的A點，∠EOA約為5-10°，如圖3，此橋殼開裂處的應力集中系數計算如下：

r/d=5/110=0.045，D/d=137/110=1.25，查應力集中曲線上的應力集中系數σσ約2.1，如圖3四點彎試驗情況下的最大應力實際為：σmax=σσ*σn（其中σn為計算應力）。

計算垂向工況下橋殼軸頭過渡處應力為316MPa，考慮結構突變引起的應力集中系數情況下,最大應力實際為663.6MPa。

本次試驗橋殼的平均抗拉強度為：853MPa，換算成的疲勞應力約為：426.5MPa，遠小于考慮了應力集中的663.6MPa的應力。

2、結論及改進措施

結合以上分析可以得出，某16噸橋殼發生早期斷裂失效的主要原因為裂源處結構突變，形成較大的應力集中，且 R處粗糙度較大，加速此處的斷裂。具體改進措施如下：

（1）在不影響裝配下，增大過渡圓角，將R5提高至R20，減小Ф137外圓至Ф132，應力集中系數可以降至1.42，最大應力降至448.7MPa；

（2）控制軸頭的調質處理并提高軸頭的強度，硬度由22-28HRC提高至30-35HRC；

（3）增加R處的光潔度，通過定制仿形砂輪實現R過渡處的磨削處理。

3、結束語

通過實施以上的3項措施，改進后橋殼的平均疲勞壽命為100萬次不發生斷裂，改進效果明顯。

[1] DIN50150常用鋼材抗拉強度與維氏硬度、布氏硬度、洛氏硬度的對照表[P].德國,2000.

[2] 石德珂,金志浩.材料力學性能[M].西安交通大學出版社,1998.

[3] 章剛,劉軍等.表面粗糙度對表面應力集中系數和疲勞壽命影響分析[J].機械強度,2010,32(1).

[4] 航空工業部科學技術委員會.應力集中系數手冊[M].1990.