王 川

(吉客傳動(dòng)科技(蘇州)有限公司， 江蘇 蘇州 215027)

城市客車、旅游客車匹配的低入口[1]前橋，不僅要承載整車重量，還要實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向等功能，承受制動(dòng)過(guò)程中的軸荷轉(zhuǎn)移。因此，其安全性要求很高，而其工字梁的垂直彎曲疲勞試驗(yàn)是驗(yàn)證其疲勞壽命的重要手段[2]。

1 失效原因及分析

某低入口客車的前橋額定載荷為7 t。用該前橋的5根工字梁進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)[3-4]，其中2根在42萬(wàn)次時(shí)于不同部位出現(xiàn)斷裂，如圖1所示。這2根工字梁疲勞壽命偏低，不符合QC/T 483—1999《汽車前軸疲勞壽命限值》[3]中B50壽命≥70萬(wàn)次的評(píng)判要求。其余3根均通過(guò)70萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)而未發(fā)生斷裂失效。

1#工字梁

2#工字梁

1.1 臺(tái)架試驗(yàn)

根據(jù)QC/T 531—1999《汽車前軸臺(tái)架疲勞壽命試驗(yàn)方法》[4]的要求，對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)的輸入?yún)?shù)進(jìn)行核對(duì)，均符合要求，試驗(yàn)如圖2所示。試驗(yàn)的輸入?yún)?shù)見(jiàn)表1。

(a)前橋疲勞測(cè)試

(b)試驗(yàn)正弦波載荷

表1 試驗(yàn)輸入?yún)?shù)核對(duì)結(jié)果

1.2 原因分析

1) 硬度檢測(cè)。工字梁熱處理后表面硬度要求為250～290 HB。對(duì)斷裂實(shí)驗(yàn)件斷裂處進(jìn)行硬度檢測(cè)，在270～284 HB之間，均符合要求。

2) 材料的機(jī)械性能檢測(cè)。對(duì)斷裂部分進(jìn)行取樣試棒機(jī)械性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。其中抗拉強(qiáng)度均滿足>630 MPa的要求，屈服強(qiáng)度均滿足>370 MPa的要求，延伸率均滿足>14%的要求。

表2 機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果

3) 材料的金相檢測(cè)。分別對(duì)斷口處表面4 mm以下取樣進(jìn)行金相檢測(cè)，金相組織分布如圖3所示。根據(jù)GB/T 13320—2007《鋼質(zhì)模鍛件 金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定方法》評(píng)定為回火索氏體+少量鐵素體組織4級(jí)[5-6]，組織分布均勻，均符合要求。

1#工字梁500X倍放大圖

2#工字梁500X倍放大圖

4) 疲勞斷口分析。對(duì)失效件的斷口進(jìn)行分析，斷口平齊，裂紋擴(kuò)展區(qū)為30%，瞬時(shí)裂紋區(qū)為70%，斷裂方式為疲勞斷裂，如圖4所示。仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)，2根出現(xiàn)斷裂的工字梁在斷裂處均有打磨痕跡，打磨的鋸齒狀表面產(chǎn)生了應(yīng)力集中，打磨處為開(kāi)裂源，從而導(dǎo)致工字梁斷裂失效。其余沒(méi)有斷裂的3根工字梁均沒(méi)有打磨的痕跡。

1#工字梁

2#工字梁

5) 打磨原因分析。分析斷裂工字梁打磨的原因，發(fā)現(xiàn)在工字梁磁粉探傷工序中，為了使工字梁通過(guò)磁粉探傷檢測(cè)，工人對(duì)工字梁中存在折疊多、飛邊大的部分鍛件進(jìn)行過(guò)打磨。

2 整改措施及效果驗(yàn)證

2.1 整改措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

1) 整改措施。改進(jìn)生產(chǎn)工藝，增加了對(duì)工字梁打磨后必須做噴丸處理的要求。通過(guò)噴丸去除表面殘余應(yīng)力，對(duì)工字梁表面植入壓應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度。

2) 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)采取整改措施后的新工字梁隨機(jī)抽樣2根進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，分別通過(guò)了90萬(wàn)次和80萬(wàn)次的疲勞試驗(yàn)，均未發(fā)生斷裂失效等。

2.2 B50及B10壽命估算

按QC/T 483—1999[3]要求，利用以上疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)估算B50及B10壽命。具體過(guò)程如下：

汽車前后橋的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)一般都符合威布爾分布[7]，采用《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]中較為簡(jiǎn)便的威布爾分布矩法估方法。

式中：n=5；x1=70萬(wàn)次；x2=72萬(wàn)次；x3=75萬(wàn)次；x4=80萬(wàn)次；x5=90萬(wàn)次。

2) 計(jì)算測(cè)試樣本標(biāo)準(zhǔn)差sx，根據(jù)公式：

帶入以上數(shù)據(jù)可得：sx=4.354萬(wàn)次。

3) 計(jì)算測(cè)試樣本偏態(tài)系數(shù)kk，根據(jù)公式：

帶入以上數(shù)據(jù)可得：kk=0.871。

5) 計(jì)算相應(yīng)可靠度概率的疲勞壽命Np。對(duì)上述所求得的威布爾分布函數(shù)去自然對(duì)數(shù)，得到計(jì)算公式：

式中：B50和B10對(duì)應(yīng)的可靠度概率R分別為0.5、0.9，帶入相應(yīng)數(shù)值可得：B10對(duì)應(yīng)的Np=71.976萬(wàn)次；B50對(duì)應(yīng)的Np=76.176萬(wàn)次。

即該前橋工字梁均符合QC/T 483—1999[3]中B50不小于70萬(wàn)次和B10不小于38萬(wàn)次的指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)失效的工字梁進(jìn)行材料的機(jī)械性能、金相組織、斷口等檢測(cè)分析，找到打磨是導(dǎo)致工字梁斷裂失效的原因。通過(guò)增加噴丸生產(chǎn)工藝，從而提高了工字梁的疲勞壽命，順利地通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，為后續(xù)工字梁的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了參考[8-12]。