分動(dòng)箱油冷系統(tǒng)輸油鋼管斷裂原因分析及優(yōu)化措施

馮顯松 付邦璀

摘要：某越野車輛分動(dòng)箱油冷系統(tǒng)輸油鋼管在整車可靠性路試中出現(xiàn)斷裂故障。通過(guò)對(duì)故障件的斷口進(jìn)行外觀檢查、微觀觀察、金相分析、化學(xué)成分分析，并分析鋼管固定方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得出鋼管折點(diǎn)處斷裂的原因是：鋼管是懸臂梁布置方式，折點(diǎn)處應(yīng)力集中，受到長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)激勵(lì)，出現(xiàn)疲勞斷裂。針對(duì)失效原因，對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)和固定方式進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：優(yōu)化后鋼管結(jié)構(gòu)及其固定方式通過(guò)了道路可靠性試驗(yàn)，有效避免了該類故障的再次發(fā)生。

關(guān)鍵詞：鋼管;斷裂;疲勞;優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U469.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-2550（2019）06-0076-04.

Fracture Failure， Optimization Measures For The Oil Steel Pipe

Of the Transfer Case Oil Cooling System

FENG Xian-song， FU Bang-cui

（ Dong Feng Special Equipment Division （ Dong Feng Off-?Road Vehicle CO.， Ltd ）， WuHan?430000， China ）

Abstract： For the oil steel pipe of the transfer case oil cooling system of the off-road vehicle?was broken on vehicle road reliability test. In order to find the failure cause，?macroscopic observation， microscopic observation， metallographic examination and chemical composition?analysis were carried out， and combined with the analysis of the fixing mode and structural?characteristics of the oil steel pipe. The results show that the oil steel pipe is a cantilever?beam arrangement， where the stress is concentrated at the break point， and is stimulated?by long一term vibration， resulting in fatigue fracture. For the failure reason， the oil steel?pipe structure and fixed mode are optimized. The results show that the optimized oil steel?pipe structure and its fixed mode passed the vehicle road reliability test and avoided the recurrence?of such faults.

Key Words： Steel pipe; Fracture; Fatigue; Optimize

馮顯松

畢業(yè)于重慶大學(xué)，碩士研究生，現(xiàn)就職于東風(fēng)特種裝備事業(yè)部（東風(fēng)越野車有限公司），任工程師，主要研究方向?yàn)槠噦鲃?dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

前言

輸油管路是將分動(dòng)箱內(nèi)部潤(rùn)滑油輸送給外部油冷器，再傳輸回分動(dòng)箱。受制于整車空間，特別是分動(dòng)箱處，其四周空間有限，需采用成型管進(jìn)行布置。以優(yōu)質(zhì)碳素鋼為原料的無(wú)縫鋼管廣泛應(yīng)用于車輛液體和氣體的輸送，并且其可以做成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的成型管，有效地利用空間。

某越野車輛分動(dòng)箱油冷系統(tǒng)輸油鋼管在整車可靠性路試中發(fā)生了斷裂的故障。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)鋼管斷裂原因進(jìn)行系統(tǒng)分析，確定斷裂性質(zhì)，提出鋼管結(jié)構(gòu)和固定方式的優(yōu)化方案，對(duì)今后類似的設(shè)計(jì)具有重要借鑒價(jià)值。

1試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

1.1外觀檢查

鋼管斷裂部位宏觀形貌見(jiàn)圖1所示，斷裂位置位于鋼管折彎處，裂紋呈周向分布，距離管端部約110mm處，對(duì)鋼管其他部位進(jìn)行詳細(xì)檢查，未發(fā)現(xiàn)任何異常和損壞。

1.2斷口宏觀檢查

斷口宏觀形貌見(jiàn)圖2所示，斷口表面平緩，裂紋起源于管體的表面，表現(xiàn)為疲勞斷裂[1]-[2]，斷口處未發(fā)現(xiàn)塑性變形。

1.3斷口微觀檢查

在掃描電子顯微鏡下對(duì)斷口進(jìn)行觀察，斷口低倍形貌見(jiàn)圖3，其中，I區(qū)為裂紋源區(qū)，II區(qū)是擴(kuò)展區(qū)。斷口裂紋源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)高倍形貌分別見(jiàn)圖4、5。查看擴(kuò)展區(qū)高倍形貌，該區(qū)域顯示為疲勞輝紋。

1.4化學(xué)成分分析

經(jīng)對(duì)斷裂鋼管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果表明其材料成分與牌號(hào)是10F優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分相符【3】，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

1.5金相組織檢查

對(duì)鋼管進(jìn)行觀察，可見(jiàn)其顯微組織為鐵素體加少量珠光體，見(jiàn)圖6所示，組織及品粒度均符合要求，無(wú)明顯雜質(zhì)存在，材料無(wú)冶金缺陷，未發(fā)現(xiàn)明顯異常【4】。

2分析與改進(jìn)措施

2.1分析

出現(xiàn)斷裂的鋼管固定于分動(dòng)箱側(cè)部，以懸臂方式布置，其端部通過(guò)接頭與軟管連接，軟管另一端固連在車架上，見(jiàn)圖7所示。車架與分動(dòng)箱是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，整車在路試中車輪將路面激勵(lì)傳遞到分動(dòng)箱，相應(yīng)地，軟管對(duì)鋼管懸臂端產(chǎn)生擺振，鋼管折點(diǎn)是應(yīng)力集中處，從折斷情況判斷，折點(diǎn)處是懸臂端較薄弱的位置【5】-【6】。

2.2改進(jìn)措施

通過(guò)對(duì)鋼管懸臂折點(diǎn)處斷裂故障的分析，從如下方面進(jìn)行改進(jìn)：首先取消鋼管懸臂梁布置方式，提高鋼管端部結(jié)構(gòu)剛度，其次避免鋼管出現(xiàn)應(yīng)力集中的區(qū)域，綜合以上兩個(gè)方向，將鋼管的布置方式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：鋼管通過(guò)過(guò)壁接頭固定于支架上，支架固定于分動(dòng)箱上，見(jiàn)圖8所示。

對(duì)比原方案和改進(jìn)方案，在結(jié)構(gòu)上，改進(jìn)方案通過(guò)增加支架，對(duì)鋼管起到支撐作用。將兩種方案簡(jiǎn)化成直梁形式，以便對(duì)其進(jìn)行受力分析【7】，見(jiàn)圖9所示，改進(jìn)方案的最大剪力和最大彎矩有明顯降低，可以說(shuō)明在改進(jìn)方案下，懸臂梁的受力性能得到了較大改善。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)用越野車輛裝配改進(jìn)的結(jié)構(gòu)組件，在安徽定遠(yuǎn)國(guó)家汽車試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行3萬(wàn)公里可靠性道路試驗(yàn)。車輛進(jìn)行完整試驗(yàn)后，鋼管及支架均未出現(xiàn)斷裂、漏油等故障，表明改進(jìn)方案通過(guò)了苛刻的路試，滿足使用要求。

4結(jié)論

（1）鋼管斷裂性質(zhì)是疲勞斷裂。鋼管以懸臂方式布置，端部受到軟管擺振，折點(diǎn)是應(yīng)力集中處，導(dǎo)致在該位置斷裂。

（2）取消鋼管懸臂布置方式，并改進(jìn)鋼管結(jié)構(gòu)及布置方式，增加其端部剛度，避免應(yīng)力集中，有效解決疲勞斷裂故障。

參考文獻(xiàn)：

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[7]劉鴻文，等.材料力學(xué)I[M].高等教育出版社，2004.

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王華武：

論文立意簡(jiǎn)潔明了，原因分析比較清楚，改善措施到位，改進(jìn)效果明顯，有一定的參考價(jià)直。