论文部分内容阅读
关键词：故障树;横梁连接铆钉;断裂;改进
0 引言
重型汽车纵梁与横梁的连接以螺栓连接、铆接和焊接等形式为主，其中螺栓连接作为一种可拆连接，因其安装与拆卸方便等特点，在特种汽车中应用广泛。而铆接作为一种工艺简单、成本低廉的连接方式，在纵梁与横梁的连接中也承担着重要的角色。
在某重型汽车的加载试验中，发生了支腿横梁与纵梁连接处铆钉断裂事件。作为承担重要任务的载体，重型汽车一旦在执行任务中发生如此严重问题，后果十分危险。本文针对重型汽车横梁连接铆钉断裂问题，运用故障树分析方法，进行故障原因的排查与定位，并制定了解决措施。
1 故障分析
1.1 故障描述
某重型汽车装配完成后，进行加载试验。对支腿实施整车满载举升试验时，支腿横梁与纵梁连接处的铆钉发生了断裂。经排查，单侧的2 处铆钉断裂，横梁与纵梁之间的接合面张开。
1.2 问题定位
以横梁连接铆钉断裂为顶事件，建立故障树如图1 所示。根據故障树，对横梁连接铆钉断裂各因素进行分析。
1.2.1 X11——铆钉与螺栓安装先后顺序不符合工序文件要求
根据车架制作工序文件的要求，应首先使用铆钉将纵梁与横梁连接，经检验铆接质量可靠后，再进行螺接。经查现场操作记录，该工序流程与工序文件一致，故此因素可排除。
1.2.2 X12——铆钉制作过程不符合工艺要求
按照热铆操作规程的要求，穿钉、顶钉和铆接均有严格的工艺流程。经查工作现场记录，以上流程均符合工艺文件规定，故此因素可排除。
1.2.3 X21——铆钉材料不符合要求
所用铆钉材料为Q235 钢。断裂铆钉从外观、硬度、金相组织及化学成分进行理化检验，检验结果符合Q235 材料指标，故此因素可排除。
1.2.4 X22——铆钉孔大小不符合要求
选用铆钉直径为15.0 mm，设计铆钉孔尺寸为φ14.3 mm，自由公差。经查检验记录，铆钉孔实际加工尺寸为φ14.2 mm，符合公差要求。故此因素可排除。
1.2.5 X23——铆接质量不符合要求
根据检验工艺文件要求，铆接后需检验：铆钉与母材贴合紧密;铆钉头无裂纹、无凹坑，中心与铆钉杆同轴，边缘完整。检查检验记录，铆接完成后，以上项目均符合文件要求。故此因素可排除。
1.2.6 X31——频繁变应力导致疲劳
经查看断裂铆钉，断面出现在接合面处，痕迹较为光滑，并无疲劳弧线、疲劳条带特征。由此可判断断裂性质并非疲劳断裂，而是过载剪断。故此因素可排除。
1.2.7 X32——支腿举升试验流程不符合要求
支腿举升试验规程中规定，试验时应使左右两侧同时支起，避免单侧受载严重。经查现场记录，试验流程与规定一致。故此因素可排除。
1.2.8 X41——纵梁与横梁连接结构刚度与强度设计不足
此处结构为重型汽车纵梁与横梁连接的典型结构，对于一般场合，其强度及刚度足够满足使用要求。由于此横梁外接支腿，支腿实施举升工作时，相当于车辆一半重量加载于支腿横梁处，因此此处纵梁受扭转严重，会使横梁产生较大变形，进一步使连接件受过大载荷。故此因素难以排除[1]。综上分析，由于“X41——纵梁与横梁连接结构刚度与强度设计不足”因素的影响，铆钉受到过大的剪切载荷，发生了过载剪断。
2 结构及受力分析
横梁上部使用铆钉通过加强梁与纵梁上翼面连接，下部使用铆钉和普通螺栓通过加强梁与纵梁下翼面连接[2]。对横梁局部建模。建立横梁、两个支腿支架及两段纵梁的模型，其中横梁与纵梁靠横梁上下平面左右布置的24 个φ15 铆钉和8 个M16 普通螺栓进行连接，其余两根横梁与纵梁间以焊接形式模拟[3]。
根据支腿举升试验时的实际情况，两支腿支点为纵梁向外740.0 mm 处，左右对称，各承受竖直向上力125 000 N（图2）。
经计算，铆钉所受应力力414 MPa，超过铆钉材料Q235 的屈服极限235 MPa。另外查看变形结果，发现此处横梁发生严重的扭转变形。
此计算结果与前文中确定的问题原因一致，表明该连接设计强度、刚度不足，横梁变形较严重、铆钉承受剪切载荷过大，导致铆钉在结合面处发生断裂破坏。
3 改进措施
考虑支腿举升工况下，纵梁扭转变形大，铆钉受横向力较大，因此对该处结构进行改进。改进措施如下（图3）。
（1）将该处两支腿支架的底部安装板连为一体，以分担横向受力。
（2）将横梁设计为箱形梁结构，并对该处纵梁上翼面与横梁连接处进行加强，增强局部刚度，减小该处局部变形。
（3）将该处横梁与纵梁连接使用的左右各4 个M16 普通螺栓更换为M16 铰制孔用螺栓，使螺栓分担一部分剪切载荷。对改进后的结构进行仿真计算，结果显示，改进后铆钉所受应力由414 MPa 降低至177 MPa，符合安全使用要求。因此以上改进措施能够改善局部结构受力及变形情况，可以解决横梁连接铆钉断裂问题。
4 结束语
本文利用故障树方法结合有限元仿真手段，对横梁连接铆钉断裂问题展开了分析，最终定位原因为纵梁与横梁连接结构的强度、刚度设计不足导致铆钉过载剪断。通过增大结构的局部刚度与连接强度，最终解决了问题。
0 引言
重型汽车纵梁与横梁的连接以螺栓连接、铆接和焊接等形式为主，其中螺栓连接作为一种可拆连接，因其安装与拆卸方便等特点，在特种汽车中应用广泛。而铆接作为一种工艺简单、成本低廉的连接方式，在纵梁与横梁的连接中也承担着重要的角色。
在某重型汽车的加载试验中，发生了支腿横梁与纵梁连接处铆钉断裂事件。作为承担重要任务的载体，重型汽车一旦在执行任务中发生如此严重问题，后果十分危险。本文针对重型汽车横梁连接铆钉断裂问题，运用故障树分析方法，进行故障原因的排查与定位，并制定了解决措施。
1 故障分析
1.1 故障描述
某重型汽车装配完成后，进行加载试验。对支腿实施整车满载举升试验时，支腿横梁与纵梁连接处的铆钉发生了断裂。经排查，单侧的2 处铆钉断裂，横梁与纵梁之间的接合面张开。
1.2 问题定位
以横梁连接铆钉断裂为顶事件，建立故障树如图1 所示。根據故障树，对横梁连接铆钉断裂各因素进行分析。
1.2.1 X11——铆钉与螺栓安装先后顺序不符合工序文件要求
根据车架制作工序文件的要求，应首先使用铆钉将纵梁与横梁连接，经检验铆接质量可靠后，再进行螺接。经查现场操作记录，该工序流程与工序文件一致，故此因素可排除。
1.2.2 X12——铆钉制作过程不符合工艺要求
按照热铆操作规程的要求，穿钉、顶钉和铆接均有严格的工艺流程。经查工作现场记录，以上流程均符合工艺文件规定，故此因素可排除。
1.2.3 X21——铆钉材料不符合要求
所用铆钉材料为Q235 钢。断裂铆钉从外观、硬度、金相组织及化学成分进行理化检验，检验结果符合Q235 材料指标，故此因素可排除。
1.2.4 X22——铆钉孔大小不符合要求
选用铆钉直径为15.0 mm，设计铆钉孔尺寸为φ14.3 mm，自由公差。经查检验记录，铆钉孔实际加工尺寸为φ14.2 mm，符合公差要求。故此因素可排除。
1.2.5 X23——铆接质量不符合要求
根据检验工艺文件要求，铆接后需检验：铆钉与母材贴合紧密;铆钉头无裂纹、无凹坑，中心与铆钉杆同轴，边缘完整。检查检验记录，铆接完成后，以上项目均符合文件要求。故此因素可排除。
1.2.6 X31——频繁变应力导致疲劳
经查看断裂铆钉，断面出现在接合面处，痕迹较为光滑，并无疲劳弧线、疲劳条带特征。由此可判断断裂性质并非疲劳断裂，而是过载剪断。故此因素可排除。
1.2.7 X32——支腿举升试验流程不符合要求
支腿举升试验规程中规定，试验时应使左右两侧同时支起，避免单侧受载严重。经查现场记录，试验流程与规定一致。故此因素可排除。
1.2.8 X41——纵梁与横梁连接结构刚度与强度设计不足
此处结构为重型汽车纵梁与横梁连接的典型结构，对于一般场合，其强度及刚度足够满足使用要求。由于此横梁外接支腿，支腿实施举升工作时，相当于车辆一半重量加载于支腿横梁处，因此此处纵梁受扭转严重，会使横梁产生较大变形，进一步使连接件受过大载荷。故此因素难以排除[1]。综上分析，由于“X41——纵梁与横梁连接结构刚度与强度设计不足”因素的影响，铆钉受到过大的剪切载荷，发生了过载剪断。
2 结构及受力分析
横梁上部使用铆钉通过加强梁与纵梁上翼面连接，下部使用铆钉和普通螺栓通过加强梁与纵梁下翼面连接[2]。对横梁局部建模。建立横梁、两个支腿支架及两段纵梁的模型，其中横梁与纵梁靠横梁上下平面左右布置的24 个φ15 铆钉和8 个M16 普通螺栓进行连接，其余两根横梁与纵梁间以焊接形式模拟[3]。
根据支腿举升试验时的实际情况，两支腿支点为纵梁向外740.0 mm 处，左右对称，各承受竖直向上力125 000 N（图2）。
经计算，铆钉所受应力力414 MPa，超过铆钉材料Q235 的屈服极限235 MPa。另外查看变形结果，发现此处横梁发生严重的扭转变形。
此计算结果与前文中确定的问题原因一致，表明该连接设计强度、刚度不足，横梁变形较严重、铆钉承受剪切载荷过大，导致铆钉在结合面处发生断裂破坏。
3 改进措施
考虑支腿举升工况下，纵梁扭转变形大，铆钉受横向力较大，因此对该处结构进行改进。改进措施如下（图3）。
（1）将该处两支腿支架的底部安装板连为一体，以分担横向受力。
（2）将横梁设计为箱形梁结构，并对该处纵梁上翼面与横梁连接处进行加强，增强局部刚度，减小该处局部变形。
（3）将该处横梁与纵梁连接使用的左右各4 个M16 普通螺栓更换为M16 铰制孔用螺栓，使螺栓分担一部分剪切载荷。对改进后的结构进行仿真计算，结果显示，改进后铆钉所受应力由414 MPa 降低至177 MPa，符合安全使用要求。因此以上改进措施能够改善局部结构受力及变形情况，可以解决横梁连接铆钉断裂问题。
4 结束语
本文利用故障树方法结合有限元仿真手段，对横梁连接铆钉断裂问题展开了分析，最终定位原因为纵梁与横梁连接结构的强度、刚度设计不足导致铆钉过载剪断。通过增大结构的局部刚度与连接强度，最终解决了问题。