重卡后提升軸斷裂失效分析與改進*

□ 王 猛 □ 蔡士祥 □ 鄧飛燕 □ 王傳頌 □ 張 偉 □ 譚 偉

中國重汽集團濟南橋箱有限公司 濟南 250001

1　故障情況

某型重卡在行駛過程中，后提升軸突發斷裂［1］。斷裂處位于推力桿座總成與軸管焊接處，故障形式為軸管整體斷裂［2］，如圖1所示。該提升軸軸管材料為45號鋼，規格為φ146 mm，壁厚為14 mm，采用焊接工藝。由于該提升軸斷裂失效情況較為突出，因此筆者借助理化檢測設備及ANSYS Workbench有限元分析軟件，對斷裂的提升軸進行系統分析，并討論其斷裂失效原因。

▲圖1 后提升軸斷裂情況

2　理化試驗與分析

2.1　同型號軸管探傷檢測

抽樣30件該型號提升軸軸管，進行超聲檢測和磁粉探傷，未發現表面缺陷和內部裂紋現象。

2.2　同型號軸管機械性能檢測及分析

對同型號提升軸軸管機械性能進行檢測，其抗拉強度為650 MPa，屈服強度為420 MPa，伸長率為22.1%，機械性能符合要求。

2.3　斷裂軸管斷口分析

用酒精擦去軸管斷口的浮銹，觀察斷口，如圖2所示。初步斷定圖2中A區域光滑明亮處為斷裂源［3］，沿B區域逐步向下撕裂至C區域。對斷裂源進行局部取樣、拋光腐蝕處理［4］，如圖3所示，用電子顯微鏡觀測到焊縫根部存在一道細微裂紋。在斷裂源A區域發現直徑約為0.15 mm的粒狀雜質，并在雜質處發現二次裂紋。由于夾雜與基體材料結合松散［5］，而且破壞了材料的連續性，因此提升軸在受到交變扭矩疲勞載荷作用時，尺寸較大的冶金夾雜成為應力集中點，然后導致疲勞裂紋［6］。疲勞裂紋在載荷作用下開裂形成主裂紋，裂紋快速擴展，形成放射狀條紋，并最終斷裂。

▲圖2 軸管斷口

▲圖3 斷裂源

2.4　化學成分檢驗與分析

在室溫20℃、相對濕度40%的條件下，對提升軸軸管斷口進行取樣分析，其化學成分檢測結果見表1。

表1　化學成分檢測結果

該提升軸軸管試樣中，碳、硅、錳含量接近標準值上限，磷、硫、鉻接近標準值下限，元素含量符合標準GB/T 8162—2008《結構用無縫鋼管》的要求。

2.5　金相組織分析

如圖4所示，提升軸總成在使用過程中沿著焊縫產生裂紋，裂紋在軸管母材延展，造成母材缺陷發生斷裂，進而導致軸管斷裂。提升軸的材料為45號鋼，經傳統淬火加中溫回火處理后，正常的組織為回火屈氏體。在斷裂提升軸上取樣，磨制拋光后，經4%硝酸乙醇溶液腐蝕，采用金相顯微鏡觀察試樣，確認該試樣的金相組織為片狀和板條狀兩形態的回火馬氏體，如圖5所示。

▲圖4 未腐蝕軸管裂紋部位

▲圖5 腐蝕后軸管裂紋部位

該提升軸軸管材料碳含量為0.42%～0.50%，碳當量達0.59%～0.72%。在碳當量≥0.5%時，鋼材易于淬硬，焊接性能差［7］，若焊接后冷卻過快，極易產生焊接應力及馬氏體組織缺陷，造成冷裂紋的產生。馬氏體不是一種平衡組織，由奧氏體急速冷卻形成，淬火過程不容易控制［8］，熱處理后很可能獲得過量的馬氏體組織。馬氏體含量過高，則材料性能硬而脆；馬氏體含量過低，則材料韌性較高。采用回火工藝可減小馬氏體的含量。

3　結構應力分析

該提升軸通過中心氣囊與車架本體連接，為橋殼提升提供動力。提升軸四周安裝四個平衡氣囊，空載時橋殼提升，中心氣囊充氣，周圍四個平衡氣囊放氣，提升軸總成抬起。滿載時中心氣囊放氣，周圍四個平衡氣囊充氣，提升軸總成落下。提升軸氣囊共附帶四個壓力傳感器，保證提升軸受力均勻，排除理論上受力不均勻導致的橋殼斷裂，提升軸失效形式主要為循環變載荷下的疲勞失效。

為明確提升軸應力集中點，筆者應用ANSYS Workbench有限元軟件，對提升軸彎曲載荷作用下的靜力學進行有限元建模分析。在ANSYS中建立提升軸有限元模型，如圖6所示。在提升軸推力桿座表面施加約束，在左右兩端軸頭上同時施加豎直向下的98 kN載荷力，通過分析計算分別得到提升軸受力變形圖和提升軸應力分布云圖，如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，提升軸存在彎曲變形，主應力在兩端軸頭的軸肩側面，應力最大值為182.51 MPa。該處為提升軸軸管理論應力集中點，使提升軸兩側軸頭成為疲勞危險斷面，易發生早期疲勞斷裂。當車輛因越障、側傾、緊急制動而受到沖擊時，車體的變形使提升軸產生附加彎矩。該附加彎矩造成軸頭端部出現主應力最大值，從而成為疲勞危險斷面，致使提升軸的疲勞斷裂經常發生在軸頭靠近軸頸的端部。如圖1所示，該提升軸斷裂位置位于軸管中間位置及推力桿座總成焊接處附近，與有限元分析所得的理論斷裂面位置存在差異，由此確認該提升軸斷裂并非結構性應力斷裂。

▲圖6 提升軸有限元模型

▲圖7 提升軸受力變形圖

▲圖8 提升軸應力分布云圖

4　斷裂原因確認

通過提升軸信息追溯，該提升軸斷裂橋殼為12月份生產。此時北方冬季天氣寒冷，氣溫較低，焊后焊縫冷卻快，易產生片狀馬氏體，同時馬氏體的硬度隨質量分數的增大而升高，當含碳量達到0.6%時，淬火鋼硬度接近最大值［9］，材料硬而脆。零件中存在一些應力集中處，如鉆孔、焊接應力集中處，以及圓角等，使零件的截面突然發生變化而產生應力集中，容易形成疲勞斷裂源，這是造成該提升軸斷裂的主要原因［10-11］。

5　結束語

通過對重卡后提升軸斷裂失效進行研究，依據理化檢驗及有限元分析，確認造成提升軸斷裂的原因為焊接應力集中和組織缺陷。增加穩定的預熱保溫措施，對現有焊接工藝進行改進，同時對提升軸軸管材質進行優化升級，可以提高重卡后提升軸的質量。

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