內燃叉車火花熄滅器結構改進措施

余越　沈先明　陳健

摘要：根據內燃叉車的使用工況，針對火花熄滅器斷裂故障進行了驗證試驗與掃頻破壞試驗，根據試驗結果分析破壞機理，從應力集中與材料疲勞的角度針對結構進行優化，提高了火花熄滅器的結構強度，經試驗驗證新結構可有效解決故障問題。

關鍵詞：內燃叉車；掃頻試驗；結構強化

0? ?引言

火花熄滅器是內燃叉車應用在倉庫、油田、林區、煤礦、造紙廠、飛機場等易燃易爆區域必須配置的安全阻燃裝置。旋流式火花熄滅器因結構緊湊、輕便、不需液體工質等特點，成為工程車輛常用的安全阻燃裝置。通常將它安裝在排氣管路末端，尾氣通過兩層交錯的穿孔板結構，在允許排氣氣流通過的同時，阻擋排氣流內的火焰和火星噴出[1]。

針對某型內燃叉車投入市場銷售后，火花熄滅器出現斷裂故障，通過定頻振動試驗對火花熄滅器進行合規性驗證試驗。采用掃頻破壞試驗，明確了火花熄滅器斷裂的原因與破壞機理，并針對斷裂原因對火花熄滅器結構進行優化，達到了延長內燃叉車火花熄滅器使用壽命的目的。

1? ?故障現象

2020年市場反饋，某型配裝高位排氣與火花熄滅器配置的內燃叉車在使用過程中，火花熄滅器的安裝面根部發生斷裂，使火花熄滅器主體脫離了內燃叉車排氣管路。該故障造成火花熄滅器失效，使內燃叉車在易燃易爆場所使用存在安全隱患，影響了內燃叉車的正常使用。火花熄滅器斷裂狀態如圖1所示。

2? ?故障原因分析

市場返回的故障件斷面規整，表明有毛刺。結合前期處理此類故障的經驗，初步判斷該故障可能有3個方面原因[2]：一是火花熄滅器強度不足，無法承受叉車頻繁變向運動及柴油機振動所產生的動載荷；二是火花熄滅器安裝面根部與端面連接處結構突變大，存在應力集中現象；三是火花熄滅器殼體薄，內燃叉車振幅大，導致其發生疲勞破壞。

3? ?故障排查

按照上述個方面可能存在的原因逐一進行分析與排查，從而優化產品結構，達到延長火花熄滅器壽命的目的。

3.1? ?火花熄滅器強度驗證

國標GB 13365-2005規定，火花熄滅器需具備足夠的抵抗振動能力。標準要求，將火花熄滅器按工作狀態，安裝在振動試驗臺上進行垂直振動，振動頻率為50Hz，振幅為1.0mm，振動時間10h不得發生結構破壞、開焊等現象[3]。振動試驗可分段進行，但每段連續振動時間應不小于5h，兩段時間間隔不大于24h。

為使試驗與實際情況盡量貼合，將火花熄滅器與內燃叉車高排氣管使用夾緊箍連接，并固定在試驗工裝上，試驗工裝與振動試驗臺通過螺栓剛性連接，如圖2所示?；鸹ㄏ缙靼磭鴺艘筮M行試驗，經過10h連續定頻振動，樣件沒有出現結構破壞與開焊等失效現象，表明火花熄滅器為合格產品。

為了進一步分析火花熄滅器破壞機理，將振動頻率由50Hz定頻改為掃頻振動，通過破壞性試驗分析失效原因?？紤]到內燃叉車在實際使用中，駕駛員會進行頻繁啟動、制動、換向等動作，且內燃叉車動力來自于柴油機，柴油機振動較大，因此以發動機振動范圍為基礎并適當放大振動參數，將掃頻頻率范圍設為20～100Hz，振幅保持在1.0mm，同時將加速度由1g放大至4g。

試驗連續反復進行，經過6h試驗火花熄滅器發生斷裂，斷裂位置為火花熄滅器安裝面根部，如圖3所示。樣件破壞形式與客戶現場現象一致，試驗表明火花熄滅器強度不足，無法承受叉車運動與柴油機振動產生的動載荷。

3.2? ?降低應力集中措施

火花熄滅器安裝面外徑為40mm，工作面外徑為100mm，安裝面根部與殼體端面連接處結構突然變大，應力集中現象明顯。為了加強火花熄滅器安裝面根部結構強度，抑制應力集中造成的不利影響，將3根加強筋呈120°焊接在火花熄滅器安裝面與殼體端面，使安裝面根部承受的動應力分散至殼體端面。

為驗證降低應力集中后其能否滿足內燃叉車工況，將焊接3根加強筋的樣件，固定在高排氣振動試驗臺進行掃頻破壞試驗，經過連續5h試驗，火花熄滅器殼體端面發生撕裂，如圖4所示。樣件在3根筋板與殼體端面結合處外側出現裂紋，安裝面根部仍有部分連接。

試驗表明，使用3根筋板加強后，裂紋由筋板與殼體端面連接處外側生成，并逐漸擴散至安裝面根部。殼體端面材料發生撕裂，應力集中不再是主要矛盾，而是殼體端面材料發生疲勞，致使材料發生撕裂[4]。

4? ?結構改進

通過增加火花熄滅器殼體厚度，可提高殼體端面的強度，但增加殼體厚度會導致火花熄滅器質量增加，不僅浪費材料而且會增加其動應力，因此該方案不可行。為了在不增加質量的前提下提高殼體端面的強度，需對殼體端面碰焊圓環板強度進行加強。

同時焊接3根加強筋與圓環板，可達到兼顧殼體端面強度與避免應力集中的效果。將樣件固定在高排氣振動試驗臺上進行掃頻破壞試驗，經10h試驗后樣件無破壞、開焊等失效現象，如圖5所示。試驗表明，焊接3根加強筋與圓環板的火花熄滅器，其結構強度得到了有效加強，可克服應力集中與薄壁材料疲勞的缺陷，加強后的火花熄滅器可以適用在內燃叉車上。

5? ?結束語

通過在安裝面與殼體端面焊接3根加強筋與圓環板的強化，使火花熄滅器結構強度得到了有效，克服了應力集中與材料疲勞的缺陷。該措施有效提高了產品質量，并且在推向市場后反響較好，無不良反饋。內燃叉車上的零部件通常會承受較大沖擊與動載荷，特別是薄壁零部件結構，需重點關注應力集中和材料疲勞。針對薄弱部位適當加強，會使其壽命更長，環境適應性更好。

參考文獻

[1] 張鐵柱.火花熄滅消聲器性能數值仿真與實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2011.

[2] 劉春燕.某裝載機風扇斷裂故障分析與改進[J].工程機械與維修，2022（2）：18-19.

[3] GB13365-2005，機動車排氣火花熄滅器[S].

[4] 柯建鋒.某發動機高壓油管斷裂原因分析及優化設計[J].工程機械與維修，2022（1）：60-61.