宋曉波 安光樂

關(guān)鍵詞：故障樹;橫梁連接鉚釘;斷裂;改進(jìn)

0 引言

重型汽車縱梁與橫梁的連接以螺栓連接、鉚接和焊接等形式為主，其中螺栓連接作為一種可拆連接，因其安裝與拆卸方便等特點(diǎn)，在特種汽車中應(yīng)用廣泛。而鉚接作為一種工藝簡單、成本低廉的連接方式，在縱梁與橫梁的連接中也承擔(dān)著重要的角色。

在某重型汽車的加載試驗(yàn)中，發(fā)生了支腿橫梁與縱梁連接處鉚釘斷裂事件。作為承擔(dān)重要任務(wù)的載體，重型汽車一旦在執(zhí)行任務(wù)中發(fā)生如此嚴(yán)重問題，后果十分危險(xiǎn)。本文針對重型汽車橫梁連接鉚釘斷裂問題，運(yùn)用故障樹分析方法，進(jìn)行故障原因的排查與定位，并制定了解決措施。

1 故障分析

1.1 故障描述

某重型汽車裝配完成后，進(jìn)行加載試驗(yàn)。對支腿實(shí)施整車滿載舉升試驗(yàn)時(shí)，支腿橫梁與縱梁連接處的鉚釘發(fā)生了斷裂。經(jīng)排查，單側(cè)的2 處鉚釘斷裂，橫梁與縱梁之間的接合面張開。

1.2 問題定位

以橫梁連接鉚釘斷裂為頂事件，建立故障樹如圖1 所示。根據(jù)故障樹，對橫梁連接鉚釘斷裂各因素進(jìn)行分析。

1.2.1 X11——鉚釘與螺栓安裝先后順序不符合工序文件要求

根據(jù)車架制作工序文件的要求，應(yīng)首先使用鉚釘將縱梁與橫梁連接，經(jīng)檢驗(yàn)鉚接質(zhì)量可靠后，再進(jìn)行螺接。經(jīng)查現(xiàn)場操作記錄，該工序流程與工序文件一致，故此因素可排除。

1.2.2 X12——鉚釘制作過程不符合工藝要求

按照熱鉚操作規(guī)程的要求，穿釘、頂釘和鉚接均有嚴(yán)格的工藝流程。經(jīng)查工作現(xiàn)場記錄，以上流程均符合工藝文件規(guī)定，故此因素可排除。

1.2.3 X21——鉚釘材料不符合要求

所用鉚釘材料為Q235 鋼。斷裂鉚釘從外觀、硬度、金相組織及化學(xué)成分進(jìn)行理化檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果符合Q235 材料指標(biāo)，故此因素可排除。

1.2.4 X22——鉚釘孔大小不符合要求

選用鉚釘直徑為15.0 mm，設(shè)計(jì)鉚釘孔尺寸為φ14.3 mm，自由公差。經(jīng)查檢驗(yàn)記錄，鉚釘孔實(shí)際加工尺寸為φ14.2 mm，符合公差要求。故此因素可排除。

1.2.5 X23——鉚接質(zhì)量不符合要求

根據(jù)檢驗(yàn)工藝文件要求，鉚接后需檢驗(yàn)：鉚釘與母材貼合緊密;鉚釘頭無裂紋、無凹坑，中心與鉚釘桿同軸，邊緣完整。檢查檢驗(yàn)記錄，鉚接完成后，以上項(xiàng)目均符合文件要求。故此因素可排除。

1.2.6 X31——頻繁變應(yīng)力導(dǎo)致疲勞

經(jīng)查看斷裂鉚釘，斷面出現(xiàn)在接合面處，痕跡較為光滑，并無疲勞弧線、疲勞條帶特征。由此可判斷斷裂性質(zhì)并非疲勞斷裂，而是過載剪斷。故此因素可排除。

1.2.7 X32——支腿舉升試驗(yàn)流程不符合要求

支腿舉升試驗(yàn)規(guī)程中規(guī)定，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)使左右兩側(cè)同時(shí)支起，避免單側(cè)受載嚴(yán)重。經(jīng)查現(xiàn)場記錄，試驗(yàn)流程與規(guī)定一致。故此因素可排除。

1.2.8 X41——縱梁與橫梁連接結(jié)構(gòu)剛度與強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足

此處結(jié)構(gòu)為重型汽車縱梁與橫梁連接的典型結(jié)構(gòu)，對于一般場合，其強(qiáng)度及剛度足夠滿足使用要求。由于此橫梁外接支腿，支腿實(shí)施舉升工作時(shí)，相當(dāng)于車輛一半重量加載于支腿橫梁處，因此此處縱梁受扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重，會(huì)使橫梁產(chǎn)生較大變形，進(jìn)一步使連接件受過大載荷。故此因素難以排除[1]。綜上分析，由于“X41——縱梁與橫梁連接結(jié)構(gòu)剛度與強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足”因素的影響，鉚釘受到過大的剪切載荷，發(fā)生了過載剪斷。

2 結(jié)構(gòu)及受力分析

橫梁上部使用鉚釘通過加強(qiáng)梁與縱梁上翼面連接，下部使用鉚釘和普通螺栓通過加強(qiáng)梁與縱梁下翼面連接[2]。對橫梁局部建模。建立橫梁、兩個(gè)支腿支架及兩段縱梁的模型，其中橫梁與縱梁靠橫梁上下平面左右布置的24 個(gè)φ15 鉚釘和8 個(gè)M16 普通螺栓進(jìn)行連接，其余兩根橫梁與縱梁間以焊接形式模擬[3]。

根據(jù)支腿舉升試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際情況，兩支腿支點(diǎn)為縱梁向外740.0 mm 處，左右對稱，各承受豎直向上力125 000 N（圖2）。

經(jīng)計(jì)算，鉚釘所受應(yīng)力力414 MPa，超過鉚釘材料Q235 的屈服極限235 MPa。另外查看變形結(jié)果，發(fā)現(xiàn)此處橫梁發(fā)生嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)變形。

此計(jì)算結(jié)果與前文中確定的問題原因一致，表明該連接設(shè)計(jì)強(qiáng)度、剛度不足，橫梁變形較嚴(yán)重、鉚釘承受剪切載荷過大，導(dǎo)致鉚釘在結(jié)合面處發(fā)生斷裂破壞。

3 改進(jìn)措施

考慮支腿舉升工況下，縱梁扭轉(zhuǎn)變形大，鉚釘受橫向力較大，因此對該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)措施如下（圖3）。

（1）將該處兩支腿支架的底部安裝板連為一體，以分擔(dān)橫向受力。

（2）將橫梁設(shè)計(jì)為箱形梁結(jié)構(gòu)，并對該處縱梁上翼面與橫梁連接處進(jìn)行加強(qiáng)，增強(qiáng)局部剛度，減小該處局部變形。

（3）將該處橫梁與縱梁連接使用的左右各4 個(gè)M16 普通螺栓更換為M16 鉸制孔用螺栓，使螺栓分擔(dān)一部分剪切載荷。對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果顯示，改進(jìn)后鉚釘所受應(yīng)力由414 MPa 降低至177 MPa，符合安全使用要求。因此以上改進(jìn)措施能夠改善局部結(jié)構(gòu)受力及變形情況，可以解決橫梁連接鉚釘斷裂問題。

4 結(jié)束語

本文利用故障樹方法結(jié)合有限元仿真手段，對橫梁連接鉚釘斷裂問題展開了分析，最終定位原因?yàn)榭v梁與橫梁連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)不足導(dǎo)致鉚釘過載剪斷。通過增大結(jié)構(gòu)的局部剛度與連接強(qiáng)度，最終解決了問題。