李自生 范雪峰 石磊

以一款鋁合金運(yùn)油半掛罐車(chē)在長(zhǎng)期使用后鞍座位置的局部損傷問(wèn)題為例，系統(tǒng)地探討引發(fā)損傷的主要原因，并針對(duì)引發(fā)損傷的主要原因建立維修方案，為此類(lèi)型車(chē)輛的局部損傷原因分析及維修方案制定提供借鑒。

鋁合金材料應(yīng)用于載重貨運(yùn)車(chē)輛以來(lái)，因其優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性能、安全性能、環(huán)保性能，逐漸成為貨運(yùn)車(chē)行業(yè)的主要制造材料。尤其在成品油運(yùn)輸方面，鋁合金液罐車(chē)更以其較低的材料密度，優(yōu)越的導(dǎo)電性能，并且與成品油相容性好，不污染油品等優(yōu)勢(shì)，成功替代碳鋼油罐成為主流運(yùn)輸車(chē)型。

但隨著鋁合金罐車(chē)在成品油運(yùn)輸行業(yè)的廣泛應(yīng)用，罐車(chē)局部損傷與維修問(wèn)題也逐漸成為一個(gè)新的行業(yè)熱點(diǎn)。由于鋁合金材料的自身特性及焊接時(shí)的環(huán)境要求有別于碳鋼材料，故維修市場(chǎng)上基于碳鋼罐車(chē)的維修經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用于鋁合金液罐車(chē)并不適用，經(jīng)常出現(xiàn)維修后，車(chē)輛經(jīng)短期使用又發(fā)生二次損傷的問(wèn)題。針對(duì)這一狀況，本文以一款鋁合金運(yùn)油半掛罐車(chē)鞍座位置罐體損壞原因分析及維修方案確認(rèn)為例，系統(tǒng)闡述鋁合金運(yùn)油半掛罐車(chē)局部損傷后的原因研究與維修方案制定流程。同時(shí)針對(duì)維修后使用情況進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤記錄，以理論驗(yàn)證與實(shí)踐驗(yàn)證相結(jié)合的方式，驗(yàn)證維修方案的可行性。

鞍座位置局部損傷描述及模型建立

1.鞍座位置局部損傷描述

鋁合金運(yùn)油半掛罐車(chē)在長(zhǎng)時(shí)間使用后，罐車(chē)與牽引車(chē)鞍座連接的位置附近常有結(jié)構(gòu)件損傷發(fā)生。如不及時(shí)修理將導(dǎo)致罐體漏液，危害運(yùn)營(yíng)安全。經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)多地區(qū)不同運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的調(diào)研總結(jié)，此位置的損傷形式多呈現(xiàn)為裂紋形式，偶見(jiàn)斷裂形式。損傷多集中發(fā)生在牽引車(chē)鞍座對(duì)應(yīng)的外部支撐角件根部、罐內(nèi)防波板下過(guò)油孔邊緣處、罐內(nèi)防波板背部加強(qiáng)環(huán)處等3處，如圖1～5所示。因使用區(qū)域路況不同，營(yíng)運(yùn)使用里程亦不同，罐車(chē)損傷程度差異較大。三種損傷有的同時(shí)存在，有的獨(dú)立存在。牽引用機(jī)車(chē)均為鋼板彈簧式懸架系統(tǒng)的牽引汽車(chē)。

2.鋁合金運(yùn)油半掛罐車(chē)組成

圖1 支撐根部損傷

圖2 支撐對(duì)應(yīng)位置

圖3 防波板下過(guò)油孔位置

圖4 過(guò)孔損傷

圖5 防波板背部加強(qiáng)環(huán)損傷

鋁合金運(yùn)油半掛罐車(chē)主要由罐體、行走系統(tǒng)、防護(hù)裝置、管路系統(tǒng)、人孔、滅火器、支撐裝置、扶梯、備胎及備胎升降器、牽引座板等組成，如圖6所示。行走系統(tǒng)采用空氣懸掛形式 ，罐體與行走系統(tǒng)采用螺栓連接。罐體通過(guò)牽引座板與牽引車(chē)鞍座連接。在鞍座位置，由于底盤(pán)對(duì)罐體的作用力及罐體內(nèi)部的綜合作用力，鞍座位置的罐體結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)件焊接時(shí)的焊接缺陷對(duì)罐體的可靠性影響最大。

3.模型的建立

綜合調(diào)研情況，考慮不同使用區(qū)域、不同路況及不同行駛里程情況下，罐體損傷的位置及程度不同，為了能對(duì)各損傷集中分析，模型建立時(shí)將損傷情況放大至已知的損傷全部發(fā)生，不同區(qū)域營(yíng)運(yùn)路況則定義為1級(jí)公路，以牽引銷(xiāo)為原點(diǎn)建立仿真模型，如圖7示。

考慮液罐罐體采用5系鋁合金板材制造，車(chē)架采用6系鋁合金型材制造，故模型采用以殼單元為主，輔以實(shí)體單元及梁?jiǎn)卧男问浇?。罐?nèi)液體采用均布載荷等效，主要參數(shù)如表1所示。

計(jì)算與分析

一般引起機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷的涉及靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、撞擊三類(lèi)設(shè)計(jì)因素，靜態(tài)設(shè)計(jì)是針對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度；動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是針對(duì)使用壽命的疲勞特性，撞擊設(shè)計(jì)是針對(duì)操作或碰撞過(guò)程的能量吸收。從損傷的情況可以判斷損傷原因?yàn)殪o態(tài)或動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)因素導(dǎo)致的。對(duì)于哪一種是導(dǎo)致?lián)p傷的主要原因，筆者采用排除法，先利用有限元單元法對(duì)罐車(chē)模型進(jìn)行靜態(tài)設(shè)計(jì)因素分析[2]。

1.靜態(tài)數(shù)據(jù)分析

有限元模型的簡(jiǎn)化：a.不考慮罐內(nèi)液體的晃動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；b.附件如管路箱、備胎、罐頂圍框等，相對(duì)總質(zhì)量較小予以省略。同時(shí)對(duì)牽引座上部罐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部細(xì)化，以保證計(jì)算精度。模型單元數(shù)量為320244，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為352793。

1.1 靜載工況

圖6 運(yùn)油半掛罐車(chē)外觀

圖7 罐車(chē)仿真模型

表1 鋁合金運(yùn)油半掛罐車(chē)基本參數(shù)表

車(chē)輛在靜載荷工況下，外部支撐處、防波板背部加強(qiáng)環(huán)處 、防波板下過(guò)油孔處應(yīng)力云圖如圖8～10所示。

由圖中可見(jiàn)，靜載工況下，支撐角件根部最大應(yīng)力為93MPa，加強(qiáng)環(huán)最大應(yīng)力為83MPa，過(guò)油孔邊緣最大應(yīng)力56MPa。

1.2 扭曲工況

車(chē)輛在扭曲工況下，外部支撐處、防波板背部加強(qiáng)環(huán)處 、防波板下過(guò)油孔處應(yīng)力云圖如圖11～13所示。

圖8 外部支撐處?kù)o載荷應(yīng)力云圖

圖9 防波板背部加強(qiáng)環(huán)處?kù)o載荷應(yīng)力云圖

圖10 防波板下過(guò)油孔處?kù)o載荷應(yīng)力云圖

扭曲工況，支撐角件根部最大應(yīng)力為123MPa，加強(qiáng)環(huán)最大應(yīng)力為117MPa，過(guò)油孔邊緣最大應(yīng)力為98MPa。

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，可以發(fā)現(xiàn)在靜載工況時(shí)罐車(chē)自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求，扭曲工況時(shí)也未超過(guò)板材許用應(yīng)力，滿(mǎn)足使用需求。靜態(tài)設(shè)計(jì)因素可以排除。

那么該處損傷的主要原因應(yīng)為在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中應(yīng)力頻繁變化、波動(dòng)引起的疲勞損傷。即路面的沖擊和振動(dòng)經(jīng)牽引車(chē)傳導(dǎo)至罐車(chē)牽引座板位置，引起該連接位置附近應(yīng)力的頻繁變化波動(dòng)，導(dǎo)致罐體自身結(jié)構(gòu)件在小于允許靜載的低應(yīng)力條件下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性損壞。即為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)因素。

2. 損傷原因分析

疲勞損傷通常是由高應(yīng)力點(diǎn)產(chǎn)生最初裂紋導(dǎo)致的。一般在恒定負(fù)載情況下，裂紋會(huì)保持穩(wěn)定狀態(tài)。但疲勞應(yīng)力在周期應(yīng)力頻繁變化、波動(dòng)的情況下會(huì)增大，當(dāng)裂紋以外的剩余截面不能夠充分承擔(dān)施加的峰值負(fù)荷，損壞就會(huì)發(fā)生。

圖11 外部支撐處扭曲應(yīng)力云圖

圖12 防波板背部加強(qiáng)環(huán)處扭曲應(yīng)力云圖

圖13 防波板下過(guò)油孔處扭曲應(yīng)力云圖

在結(jié)構(gòu)上疲勞損傷一般多發(fā)生在幾何形狀的突然變化點(diǎn)、結(jié)構(gòu)中突然出現(xiàn)的斷點(diǎn)、熔焊的焊趾和焊根、緊固件螺紋的根部、機(jī)械損壞產(chǎn)生的斷點(diǎn)、焊接缺陷處、因腐蝕引起的凹坑處等位置。比對(duì)罐車(chē)與牽引車(chē)鞍座連接的位置附近結(jié)構(gòu)件損傷的情況可發(fā)現(xiàn)，此位置為罐體上的高應(yīng)力區(qū)，同時(shí)受路況影響，所受應(yīng)力頻繁變化波動(dòng)。牽引車(chē)鞍座對(duì)應(yīng)的外部支撐角件根部損傷為沿焊接結(jié)合處裂紋，應(yīng)為高應(yīng)力區(qū)里熔焊的焊趾位置發(fā)生的疲勞損傷。罐內(nèi)防波板下過(guò)油孔邊緣處損傷為橫向焊接結(jié)合處裂紋，應(yīng)為高應(yīng)力區(qū)里焊接缺陷處發(fā)生的疲勞損傷。罐內(nèi)防波板背部加強(qiáng)環(huán)處損傷為沿焊接結(jié)合處裂紋，應(yīng)為高應(yīng)力區(qū)里結(jié)構(gòu)中突然出現(xiàn)的斷點(diǎn)處發(fā)生的疲勞損傷。

圖14 外部支撐維修情況實(shí)例

圖15 防波板背部加強(qiáng)環(huán)維修實(shí)例

維修方案的確認(rèn)

1. 牽引車(chē)鞍座對(duì)應(yīng)的外部支撐角件根部損傷

該位置的應(yīng)力既相對(duì)較大，又有頻繁變化、波動(dòng)。直接對(duì)損傷處焊道采用重新焊接的維修方式不能解決該處應(yīng)力相對(duì)較大的問(wèn)題，對(duì)改善使用情況沒(méi)有降低損害風(fēng)險(xiǎn)的趨勢(shì)。故維修時(shí)考慮對(duì)該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，增加過(guò)渡墊板，墊板與縱梁螺接。此方案的目的為給予其一定的變形補(bǔ)償，改善該處的受力情況。維修后結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖14。

2. 罐內(nèi)防波板下過(guò)油孔邊緣處損傷

該位置為焊接缺陷處，對(duì)該處采用去除焊接缺陷，重新焊接的方式。

3. 罐內(nèi)防波板背部加強(qiáng)環(huán)處損傷

該位置出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的斷點(diǎn)，斷點(diǎn)出現(xiàn)在高應(yīng)力區(qū)范圍內(nèi)，直接對(duì)損傷處焊道采用重新焊接的維修方式不能解決斷點(diǎn)處的高應(yīng)力。故對(duì)焊道補(bǔ)焊的同時(shí)還需對(duì)加強(qiáng)環(huán)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，延長(zhǎng)加強(qiáng)環(huán)的長(zhǎng)度，使其斷點(diǎn)遠(yuǎn)離高應(yīng)力區(qū)范圍。維修后結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖15。

維修方案驗(yàn)證

對(duì)制定的維修方案進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，以盡可能規(guī)避維修后發(fā)生二次損傷的風(fēng)險(xiǎn)。維修前采用有限元單元法進(jìn)行理論驗(yàn)證?？季快o態(tài)設(shè)計(jì)下的應(yīng)力峰值變化情況。由于扭曲時(shí)應(yīng)力變化明顯，校驗(yàn)時(shí)只考究扭曲工況。維修后對(duì)維修車(chē)輛進(jìn)行質(zhì)量跟蹤驗(yàn)證。

1. 理論驗(yàn)證

針對(duì)先期分析結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)維修方案進(jìn)行理論驗(yàn)算。因維修方案改變了外部支撐角件根部及防波板背部加強(qiáng)環(huán)位置的結(jié)構(gòu)，故對(duì)這兩處進(jìn)行扭曲工況校核。應(yīng)力云圖如圖16、17所示。

圖16 外部支撐維修后扭曲應(yīng)力云圖

圖17 防波板背部加強(qiáng)環(huán)維修后扭曲應(yīng)力云圖

扭曲工況支撐角件根部最大應(yīng)力52MPa，比維修前降低71MPa；加強(qiáng)環(huán)最大應(yīng)力55MPa，比維修前降低62MPa。

2. 實(shí)際驗(yàn)證

依據(jù)對(duì)損害問(wèn)題原因分析情況，筆者在不同區(qū)域?qū)︻?lèi)似損傷的車(chē)輛進(jìn)行了指導(dǎo)、維修。并對(duì)車(chē)輛維修后使用情況進(jìn)行了跟蹤記錄，所維修車(chē)輛在2年以上的營(yíng)運(yùn)時(shí)間里，超過(guò)20萬(wàn)km的行駛里程下，維修位置未發(fā)生二次損傷。

結(jié)論

本文通過(guò)介紹某一款鋁合金運(yùn)油半掛罐車(chē)鞍座位置罐體損壞原因的分析及維修方案的確認(rèn)。闡述了鋁合金運(yùn)油半掛罐車(chē)局部損傷后的原因分析研究及維修方案制定的流程。為鋁合金罐車(chē)使用過(guò)程中的損傷原因分析，維修方案制定提供了參考借鑒。對(duì)維修原因的分析及維修方案的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)理論及實(shí)踐驗(yàn)證，合理有效。所計(jì)算數(shù)據(jù)及實(shí)際營(yíng)運(yùn)驗(yàn)證結(jié)果可作為鋁合金罐車(chē)使用過(guò)程中的同類(lèi)損傷維修方案制定的依據(jù)。