摘 要:某新能源客車上的電容支架固定螺栓發生批量斷裂.通過對斷裂螺栓進行宏觀觀察、 力學性能測試、金相檢驗、化學成分分析等,分析了其斷裂原因.結果表明:螺栓的斷裂為雙向彎曲 疲勞斷裂;發生斷裂的主要原因是電容支架與車架連接結構設計不當,導致結構松動,使螺栓受到 彎曲交變應力作用;次要原因是螺紋表面脫碳,降低了螺栓的疲勞強度.

  關鍵詞:電容支架;螺栓;雙向彎曲;疲勞斷裂;連接結構 

中圖分類號:TG１４２.１               文獻標志碼:B              文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０３Ｇ０２１４Ｇ0３

某客車公司生產的長１２ m 新能源客車,行駛 到８０００km 左右時,電容支架固定螺栓發生批量斷 裂.螺栓斷裂導致電容固定松動,整車電控系統異 常,電源切斷,整車無法行駛. 

通過調查 了 解 到,新 能 源 客 車 一 天 需 要 運 行 ２６０km,行駛過程中有５０km 顛簸路況.根據新 能源客車的 整 體 布 局 設 計 要 求,電 容 必 須 安 裝 在 客車車身 后 部,電 容 質 量 為 １５０kg.電 容 是 新 能 源客車主要 的 零 部 件 構 成 部 分,電 容 支 架 固 定 螺 栓是固定電容的主要部件.電容支架在客車上的 安裝位置如 圖 １ 所 示,電 容 支 架 固 定 螺 栓 的 安 裝 示意圖見圖２.

圖２中,６mm 鋼板為電容支架底板,整個支架 通過４個 M８ mm×４０ mm 螺栓(性能等級為８．８ 級)與車身底架８mm 鋼板進行連接;在６mm 鋼板 與８mm 鋼板之間有３mm 地板革和１５mm 竹地 板;車身底架８mm 鋼板上的螺紋孔,是通過先鉆直 徑６．５mm 的通孔,然后用絲錐攻絲加工出 M８mm螺紋孔得到的;最后安裝螺栓,將電容支架固定. 

為了查明該批螺栓的斷裂原因,防止此類問題 的再發生,筆者對其進行了理化檢驗和綜合分析.

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀觀察 

對兩件斷裂的電容支架固定螺栓進行了分析, 這兩件斷裂的螺栓(圖３中的１號、２號)分別是兩 臺客車上的.同時對兩件全新未使用的螺栓(圖３ 中的３號、４號)也進行了理化檢驗,用以與失效螺 栓進行比較分析.由于兩件斷裂螺栓的另一半斷口 卡在鋼板內不易取出,因此無法對另一半進行分析. 從斷裂的螺栓殘件來看,實際測得兩件螺栓的斷裂 位置距端 部 距 離 分 別 為 ３０,２７ mm.從 結 構 圖 上 看,螺栓端部距８mm 鋼板上部的距離為２７．５mm (查手 冊 可 知:平 墊 厚 度 為 １．５ mm,彈 墊 厚 度 為 ２mm).由此可知螺栓的斷裂位置正好位于８mm 鋼板上邊緣附近.

兩件斷裂螺栓殘件頭部下方的幾扣螺紋可見 有磨損和擠壓痕跡.螺栓表面鍍鋅,無污損,無銹 蝕,兩件斷裂螺栓的斷口宏觀形貌見圖４~５.螺 栓斷口平整,斷面無肉眼可見夾雜物,斷口無陳舊 裂紋.斷面平整區隱約可見貝殼紋花樣的疲勞弧 線.疲勞紋從兩側螺紋牙底表面開始向心部擴展 至最終斷裂 區,疲 勞 區 占 據 整 個 斷 口 的 大 部 分 區域,終斷區面積很小,僅在靠近斷口邊緣處形成窄 長的塑性撕 裂 區,螺 栓 斷 口 具 有 雙 向 彎 曲 疲 勞 斷 裂特征[１Ｇ２].

１．２ 力學性能測試 

對４件螺栓進行了力學性能測試,結果如表１ 所示.由結果可知,螺栓的強度和硬度已經超出了 GB/T３０９８．１－２０１０«緊固件機械性能 螺栓、螺釘和 螺柱»對 ８．８ 級螺栓的技術要求,達到了 ９．８ 級的 要求. 

１．３ 金相檢驗 

對兩件斷裂螺栓的脫碳層深度和基體顯微組織 進行了金相檢驗,結果如表２和圖６~７所示.由檢 驗結果可知,螺栓基體的顯微組織正常,但全脫碳層 的深度不符合 GB/T３０９８．１－２０１０的要求.

１．４ 化學成分分析 

該螺栓材料為４５鋼,依據相應的實施細則和國 家標 準 GB/T２０１２３－２００６,GB/T２２３．５－２００８, GB/T２２３．６３－１９８８及 GB/T２２３．５９－２００８,對碳、 硫、硅、錳、磷５種元素含量進行分析,結果見表３. 從分析結果可見,除了碳、硅元素含量低于技術要求 外,其余元素含量均符合技術要求. 

１．５ 安裝結構分析 

從圖２可見,電容支架為多層結構,６mm 鋼板 上的螺栓安裝孔直徑為１２ mm,地板革、竹地板以及８mm 鋼板上的螺紋孔,是通過先鉆直徑６．５mm 的通孔,然后用絲錐攻絲加工出 M８ mm 螺紋孔得 到的.對８mm 直徑的螺栓來說,６ mm 鋼板上的 螺栓安裝孔直徑偏大,不利于被固定物的定位及螺 栓緊固. 

２ 分析與討論 

從宏觀形貌分析結果可知,螺栓斷口為疲勞斷 口,疲勞裂紋從兩側螺紋牙底起源向心部擴展,說明 螺栓斷裂為雙向彎曲疲勞斷裂.金相檢驗結果顯 示,螺栓基體顯微組織正常,但螺紋表面脫碳明顯, 全脫碳層深度超出標準要求.螺紋的脫碳會降低螺 栓的疲勞強度,縮短螺栓的疲勞壽命[３Ｇ４].

由圖２可知,螺栓連接的結構不是剛性結構,其 中存在竹地板、地板革等柔性結構.地板革老化和 竹地板受潮變形都是不可避免的,因此不能保證螺 栓始終處于緊固狀況.在車輛行駛過程中,特別是 在惡劣的路況條件下,如果沒有其他方式定位,僅靠 ４個 M８ mm×４０ mm 螺栓兼帶有定位功能,并不 能保證電容支架與車架之間不發生相對位移(或者 說螺栓的定位能力不足).如果位移發生,螺栓會受 到 彎 曲 交 變 應 力. 電 容 及 電 容 支 架 總 質 量 約 １５０kg,在車輛運行過程中必定會產生慣性力和振 動.在復雜環境作用下,竹地板和地板革會老化變 形,導致螺栓松動.螺栓松動又會增加電容和支架 的慣性力,當這種振動和慣性力達到螺栓材料的屈 服點附近時,就會導致螺栓快速破壞.因此導致螺 栓發生疲勞斷裂的主要作用力來源于螺栓松動,支 架滑移給螺栓施加了彎曲交變應力.

３ 結論及建議

 螺栓斷裂 為 雙 向 彎 曲 疲 勞 斷 裂,斷 裂 原 因 有 兩點.第一 點 主 要 原 因 為,電 容 支 架 與 車 架 連 接 結構設計不當,非螺栓連接的穩定性結構,無法保 證鎖緊力矩的穩定維持,導致結構松動;同時電容 支架產生滑移,承受后續沖擊性脈動載荷時,螺栓 會受到彎曲交變應力的作用而發生疲勞斷裂.第 二點次要原 因 為 螺 紋 表 面 脫 碳,降 低 了 螺 栓 的 疲 勞強度. 

建議整車設計人員進一步改善電容支架與車架 的連接結構,結合電動車的發展趨勢設計比較小巧 的電容,減輕電容自身質量,同時質量部門也要注意 檢驗螺栓的質量. 

參考文獻: 

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<文章來源  > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 53卷 > 3期 (pp:214-216)>