某款叉车驱动桥壳体台架疲劳试验失效分析及改进措施_周志明.pdf

20工程机械与维修TECHNOLOGY&MAINTENANCE技术维修1 故障失效描述某新开发的叉车驱动桥壳体在进行疲劳寿命的台架试验，在进行到 68 万次加载时出现壳体断裂。经过肉眼检查以及磁粉探伤检查发现，壳体右侧位置完全断裂，左侧位置通过磁粉探伤发现有明显的微裂纹。对于试验结果，由于离100 万次加载的目标仅完成了 68%，不符合试验规范定义的“在完成 100 万次加载之后不允许出现断裂”的要求。基于该试验结果，必须对驱动桥壳体进行失效分析和设计优化。2 失效分析失效部件材料为球墨铸铁 GJS-450-10C(ISO 6892)，需要对该部件的裂纹断面进行宏观分析、金相显微分析、材料化学成分分析、拉伸强度分析，评估确认是否是存在铸造工艺缺陷以及因材料问题导致的开裂失效。同时，针对开裂位置的受力大小进行有限元分析，评估应力分布以及应力大小，确认受力对裂纹的影响。断面宏观检查如图 2 所示。从断面的宏观分析，可以明显看到疲劳开裂的裂纹源，与台架加载弯曲拉伸的位置一致。另外，从断面上还发现了铸造缺陷，存在明显的气孔。但从裂纹源位置，并没有发现铸造肉眼可见的缺陷，故认为铸造的气孔缺陷不是造成裂纹的原因。对断面裂纹源位置取样进行金相显微分析，裂纹源位置未见铸造表层的缺陷。对其进行材质金相微观分析，珠光体为 25%，铁素体的晶粒度为 6.06.5 级，未见其他显著缺陷组织。型石墨构成约为 62%，和型石墨构成约为 91%。石墨颗粒等级为 67 级。断面金相微观检查如图 3 所示。某款叉车驱动桥壳体台架疲劳试验失效分析及改进措施周志明摘要：针对某款叉车驱动桥壳体试验断裂失效的问题，通过对断面，材质，工艺和结构受力进行分析和判断，得出导致壳体断裂的原因，通过对结构尺寸的优化，使其顺利通过了台架试验。关键词：壳体断裂；失效分析；结构优化（林德（中国）叉车有限公司，福建厦门 361000）图1 驱动桥壳体疲劳断裂图 2 断面宏观检查 图3 断面金相微观检查壳体左侧，微裂纹壳体左侧，微裂纹壳体右侧，完全断裂壳体右侧，完全断裂疲劳开裂裂纹源铸造缺陷，气孔断面疲劳开裂裂纹源机加工表面CM&M 2023.0121对该失效部件进行材料化学成分分析，分析结果如表 1所示。从分析结果可知，化学成分合格。同时，对该材料进行拉伸强度测试，从测试结果可知，拉伸测试合格。拉伸强度测试结果如表 2 所示。对开裂部位的结构进行受力分析，评估应力大小对开裂的影响。取驱动桥整桥壳体进行有限元分析，加载的边界条件按照台架试验的工装进行约束和载荷加载。因分析软件的限制，有限元分析只能按照线性分析，当计算的结果高于屈服强度，则数值高于实际受力应力大小。从分析的结果来看，开裂部位的应力均远大于屈服强度。按照以往的经验，对于有限元计算分析结果远大小屈服强度时，在进行疲劳寿命试验存在比较大的失效风险。对于断裂部件进行材质、工艺、受力分布进行分析，分析结果表明，失效断裂的与材质、铸造工艺没有明显关系。导致裂纹的主要原因是结构圆角尺寸偏小，导致在试验加载中产生了较大的应力集中。因此需要对开裂位置进行设计优化。3 改进优化方案从有限元分析的结果可知，失效开裂的部位存在明显的应力集中，且应力值明显高于材料的屈服强度。因此需要对结构的圆角进行优化，结构尺寸优化如图 4 所示。具体措施如下：将部位“A”从R6 增加到R7，并采用R30 的圆角进行过渡；对部位“B”从R10 进行倒角过渡；对部位“C”的 R3 采用 R15 的圆角进行过渡。针对优化后的结构，按照同样的有限元分析设置再进行及计算分析。右侧断裂部位的优化前后应力对比如图 5所示。左侧断裂部位的优化前后应力对比如图 6 所示。从计算的结果来看，开裂部位应力值有明显的优化，数据均远低于材料的屈服强度。4 改进效果本文针对某款叉车驱动桥壳体试验断裂失效的问题，通过对断面，材质，工艺和结构受力进行分析和判断，得出导致壳体断裂的原因。对结构尺寸优化，对改进后的驱动桥壳体再进行台架试验，该桥壳顺利通过了 100 万次的加载试验，证明此项改进取得了成功。同时，该失效分析的方法和经验，为后续新开发驱动桥壳体提供了设计以及验证经验。图5 右侧断裂部位的优化前后应力对比图6 左侧断裂部位的优化前后应力对比a 优化前 a 优化前 b 优化后b 优化后图 4 结构尺寸优化 表 1 化学成分分析%化学元素C2.63.8Si1.94.5Mn0.10.5P 0.05S 0.02Mg0.020.01Cu 1Ni 0.1Sc 1.15#13.592.780.130.0250.0150.0310.010.011.059表 2 拉伸强度测试 样品序号Rm/MPaRp0.2/MPaA/%#148233020.5#247932719.5