ZL50装载机车架断裂事故分析
7f谷立臣张优云
使用维修
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内窖摘要:本文概述了一起zl50装载机车架断裂解体事故,对车架进行了受力分析,
加工制造质量检验,
材料力学性能分析及金相组织分析等.在多方面分析研究基础上指出了该车架断
裂的原因以及解体的过程,并
提出了
建议
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与对策.
荚t词:装载机车架断裂事故分析
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某厂生产的珏50轮胎式装载机连续发生多起 车架开焊甚至断裂的现象.受陕西省技术监督局的 委托,我们对其中的一起后车架断裂事故进行了现 场取证并从设计,制造,使用及管理等方面做了全 面分析,最终找出了事故发生的直接原因.本文结 合现场情况及后车架结构特点进行后车架断裂失效 分析,以求真实科学地反映断裂全过程. l后车架的结构特点及事故情况
珏50装载机车架分前车架和后车架两部分, 前车架支撑操作系统,后车架则是发动机,油箱的 座架,两者靠销轴铰接,并分别固定在前后桥上. 后车架由两个部分组成,即前端部件(称后铰接 架)和后端部件,两者焊接在一起,如图1所示. 后铰接架的连接部位是两个(左,右)槽形臂,由 上盖板,下盖板和侧板焊接而成,材质均为厚
25mm的16Mn钢板;后部的连接部位则是左右两 个矩形臂,由上下内外4块lOnml钢板焊成,其内 侧板伸长丝0lIm,即图1中的"延伸板".前后端 连接时,两个矩形臂分别插入两个槽形臂中(矩形 臂深入140ram),此时延伸板的前端恰好与槽形臂 的侧板弯曲处紧靠.矩形臂和槽形臂用8条焊缝作 刚性连接,从而组成一个复合臂,承受装载机作业 时施加的弯曲,扭转等复合载荷,因此连接部位的 焊接质量和材质是后车架使用寿命的关键因素. 后车架解体后,插入的矩形臂基本完好,而左 右槽形臂被插入的矩形臂全部撕开,在左右上盖板 和左右侧板上共有5处断裂或开裂(图1中?, ?),断裂带发生在距槽形口130ram处,断口特征 为:
(1)断口无明显塑性变形,放射花样占据了整 t蝗祝槭{拂{
辅触轵前触
圈1后车架前后靖结构,受力分析及断裂 部位示意圈
个断面.
(2)裂源产生于上盖板内侧上尖角处,裂纹自 上而下,由内向外扩展.
(3)放射花样粗大,浮雕明显,并出现弯曲. (4)断口平面与上盖板呈45o夹角
上述特征
表
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明:??断裂带是在扭矩作用下过 载断裂,材料抗拉强度低和实际载荷超出构件设计 承载能力是导致断裂的根本原因;?断裂带上隐约 可见贝纹线,这是疲劳断裂的主要特征;??是侧 板上的断裂带,当上盖板?断裂发生后,其承载能
力被消弱;延伸板前端没有与侧板弯曲处焊接是造 成侧板开裂的另一个原因.
2事故原因分析
首先排除超载等违章因素,因为事故发生前断 裂处已出现裂纹,并多次补焊加固,况且同类现象 在其他车架上也多次出现.因此应该在设计,制造 和管理方面查找原因.
2.1车架受力分析
对车架而言,受力最大的典型工况有:最大插 57
使用维修
人力工况,最大铲起力工况,插人和铲起联合铲掘 工况.装载机实际运行中,图1中所示的后车架外 载荷,()随工况不断改变其幅值的大
小,我们对前两种工况分别进行了受力分析,,_?4的变化过程如图2所示.
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圈2后车架外载荷变化过程示意圈
2.2lja-r制造质量检查
根据厂方提供的设计图纸以及后车架断裂解体 后的现状,检查分析后发现后车架在加工,制造中 存在下述问题(参见图3):
右矩形臂E沿上盖板侧板
魄圈3后车架前后端连接部位示意围
(1)结构件尺寸精度差
最为突出的是:车架后端左右延伸板下沿与车 架前端左右下盖板之间有lOmm间隙(设计要求小 于2nun),为了焊接,随意塞进46—9mm的圆钢
条,结果出现右下盖板与圆钢条未焊合,左延伸板 下沿与圆钢条未焊合,这两条焊缝形同虚设. (2)缺焊
车架后端左右延伸板前沿与后铰接架左右侧板 弯曲部位投有焊接,延伸板长度不够,造成端头无 法焊接.
(3)焊接不符合设计要求
后车架的16条焊缝中有1O条不符合设计图纸 的要求,主要缺陷是:不规则堆积,咬边,焊缝高 度不够,不连续,这些都是车架解体的隐患. 2.3结构件材料力学性能及金相组织检查 焊接质量检查之后,立即检查了后车架的表面 硬度,检查后发现上盖板与侧板的表面硬度相差甚 远,由此怀疑后车架结构件选材有误.经取样送有 关权威部门检验后得出结论:后车架前端上盖板材 质为电工纯铁(设计要求是16Mn).电工纯铁与 16Mn相比其力学性能相差甚远(见表1),而其金 相组织前者全部为铁素体,后者则为珠光体十铁素 体.
裹1二种材料的力学性能
电工纯铁
抗拉强度屈服点延伸率断面收缩率
dMPaa/MPad./%/%
纵2802155l86
横2102l04886
16^量n
抗拉强度屈服点延伸率断面收缩率
ajMPal/蛐Pa/%%
610540笠72
6155402365
通过上述分析,得出后车架解体的直接原因和 过程如下:
(1)后车架焊缝质量和上盖板选材有误是造成 后车架断裂解体的最主要原因.
(2)后车架解体首先发生在右复合臂,这可从 油箱板撕裂形态获知右复合臂的分离过程:由于选 材有误,右上盖板先疲劳瞬断——油箱撕裂一后 铰接架侧板上抬使上盖板疲劳残片焊缝断开一残 片受侧板上抬冲力作用向复合臂内侧弯曲并使焊缝 断开脱落一右复合臂分离.
(3)当复合臂分离后,因惯性原因前轮向后轮 靠近,左上盖板?断121脱开—+左侧板与矩形臂外 侧焊缝断开—+左侧板上抬使左上盖板疲劳残片焊 缝断开—+左复合臂分离—+后车架解体. 3建议与对策
(1)该车架由数十块大小不等的钢板焊接而
残余应力, 成,焊接质量对其使用寿命至关重要,
焊缝夹渣,气孔和材质等问题不可忽视,因此制造 单位对焊缝要逐条目测,必要时用加倍放大镜或 其他仪器检查.
(2)使用者一旦观察到车架出现裂纹,不要盲 (下转49页)
气室气体,使悬挂产生弹性,其刚性为非线性,随 外载荷增大而增大.
试验研究
从(13)式可知,充气高度和振动频率有关,载荷 越大,充气高度越小,振动频率越高,这种特性正 好与钢板弹簧弹性相反而与理想弹性相一致.由于
路面引起的振动频率大大低于油气悬挂的液压固有 频率,并由阻尼孔节流,阻尼作用增大,因此具有 良好的减振缓冲作用.这个优点是钢板弹簧所没有 的,而且可提高挖掘作业精度,作业时易消除弹 性.
b3结论
1.活塞2.油腔3.浮动活塞
4.阻尼孔5.隔膜6气室
圈4
设载荷为口0,气体容积为,相应压力为 P0,当载荷为时,气体容积为,压力为P, 充气高度为日.由热力学定律有:
p0=P
fVo1P
pohlJ
设滔塞断面积为s,竞气高度为:
=
则:
p.(12)
活塞移动速度快,工作过程可视为绝热过程,取 m=1.3,因此油气悬挂弹性特性是一条指数曲线, 如图3中曲线3.比较(10),(12)式可知,这条 曲线接近理想状态弹性曲线.
油气悬挂振动频率可由下式给出:
一
垫L塑T(13)
(1)在20t高速汽车式挖掘机上直接采用载重 汽车的钢板弹簧作为悬挂装置是一种新的尝试,目 前国内挖掘机行业还没有先例,缺乏设计经验和资
料,在样机试验中出现钢板弹簧断裂应在情理之 . 中
(2)直接照搬载重汽车的钢板弹簧作为挖掘机 悬挂装置是不可取的,应根据挖掘机工况特点进行 重新设计,否则会导致钢板断裂.
(3)汽车式挖掘机悬挂装置结构形式的选择, 最好采用油汽悬挂装置.它能较好地吸收机械高速 行驶中的冲击和振动,较好地适应挖掘机在行驶和 作业工况下弹性与钢性变化要求.
参考文献
1龚烈航.
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
机械油气悬挂特性研究.工兵装备研究, 1988(I)
2向光等编.工程机械底盘.1982年版
3陈家瑞主编汽车结构.吉林工业大学,1997年 4韩军等我国汽车式挖掘机发展前景.建筑机械,1999 (6)
杨承先,工程兵驻贵阳地区军代表室.??贵州省贵阳市 中曹路97号
收稿日期:2000-07—14
编辑:杨骁光
(上接58页)
目补焊加固,要到有关权威部门咨询,以便及时查 明原因,减少损失.
(3)装载机作业条件复杂,车架在工作中受冲 击载荷,在设计中应特别重视局部尖角区和局部厚 度突变区的应力改变,避免强烈的应力集中,应当 增加板材的弯曲半径,增大倒角半径,采用倾斜或 曲折焊接.
t羲机械撕{l.,
参考文献
I张光褡.工程机械底盘构造与设计.北京:中国建筑工 业出版社1986年
谷立臣,西安建筑科技大学,710055西安市 张忧云,西安交通大学,71~49西安市
收稿日期:0呻0.26
编辑杨臃光