張相寧等

摘要：文章針對(duì)某動(dòng)車組枕梁在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了裂紋的問(wèn)題，從材料、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、試驗(yàn)各個(gè)方面對(duì)枕梁出現(xiàn)裂紋的原因進(jìn)行分析。借助ANSYS軟件及探傷檢查等方法，對(duì)枕梁進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝控制，優(yōu)化后的枕梁順利通過(guò)了強(qiáng)度及疲勞試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：仿真試驗(yàn)平臺(tái)；動(dòng)車組；枕梁優(yōu)化；疲勞試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U270 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）29-0026-03

1 概述

高速舒適的動(dòng)車組給旅客帶來(lái)方便、快捷的同時(shí)，也向各零部件提出了更高強(qiáng)度和壽命要求。枕梁是車體底架與轉(zhuǎn)向架連接的重要部件，受力較大，承擔(dān)全車的重量，并通過(guò)心盤將重量傳給走行部，若在列車運(yùn)行中出現(xiàn)裂紋以至斷裂，將出現(xiàn)嚴(yán)重的后果。

為了保證枕梁的設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確提出了在滿足靜強(qiáng)度試驗(yàn)要求的同時(shí)，要滿足疲勞試驗(yàn)1000萬(wàn)次的要求。為適合城際和干線鐵路低成本、制造簡(jiǎn)單的要求，某動(dòng)車組采用了焊接結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架枕梁。但在疲勞試驗(yàn)進(jìn)行到711萬(wàn)次時(shí)，對(duì)枕梁進(jìn)行磁粉探傷，在枕梁上蓋板折彎區(qū)域距外邊緣約110mm處出現(xiàn)了10mm長(zhǎng)度左右的

裂紋。

2 裂紋原因分析

2.1 枕梁材料原因分析

枕梁采用鑄件與鋼板組合焊接而成，枕梁兩側(cè)端部的適配器為鑄件，所用材料為G20Mn5；枕梁中部采用鋼板焊接箱型結(jié)構(gòu)，鋼板材料為Q345E?？股咝螠p振器座為鑄件，所用材料為G20Mn5。牽引銷為鑄件，所用材料為C級(jí)鋼。各零部件的力學(xué)性能如表1。

枕梁試驗(yàn)結(jié)束后，切割了裂紋區(qū)域部分材料進(jìn)行了材料力學(xué)性能、工藝性能檢測(cè)和化學(xué)成分檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)鑄鋼件中S、P含量比標(biāo)準(zhǔn)中略高，對(duì)材料的焊接性能造成一定影響，另外由于未提前對(duì)枕梁進(jìn)行射線探傷，不能確定深層材料中是否存在微裂紋。

2.2 仿真計(jì)算原因分析

2.2.1 計(jì)算方法。完成轉(zhuǎn)向架枕梁三維設(shè)計(jì)之后，為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性，采用有限元法，應(yīng)用大型通用工程仿真分析軟件ANSYS-Workbench進(jìn)行仿真分析。計(jì)算中對(duì)模型進(jìn)行有限元離散時(shí)采用三維實(shí)體單元solid 92。該枕梁及與其配合的減振器座、牽引中心銷、抗側(cè)滾扭桿和連接緊固件的總體有限元結(jié)構(gòu)離散圖如圖1所示，整個(gè)模型共離散成185510個(gè)實(shí)體單元，341972個(gè)節(jié)點(diǎn)。螺栓與枕梁、減振器座、中心銷之間采用接觸單元，以模擬其之間的裝配關(guān)系。

2.2.2 邊界條件。為盡量模擬真實(shí)的情況，在仿真計(jì)算時(shí)對(duì)枕梁相應(yīng)位置施加一定的位移約束，具體位置如圖1所示。在仿真計(jì)算中，在空氣彈簧座部位施加垂向載荷，橫向載荷分別施加在橫向止擋座和空氣彈簧座上，對(duì)中心銷施加縱向沖擊或牽引載荷，抗蛇形減振器在螺栓孔處施加縱向載荷。

2.2.3 載荷計(jì)算及工況。計(jì)算載荷及工況依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T2637-2008《鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、搖枕及搖動(dòng)臺(tái)》（以下簡(jiǎn)稱TB/T2637-2008）和UIC615-4《動(dòng)力車-轉(zhuǎn)向架和走行裝置-轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》（以下簡(jiǎn)稱UIC615-4）。

2.2.4 計(jì)算結(jié)果。枕梁的剛度用其在剛度工況下枕梁的垂向變形值來(lái)校核，計(jì)算得到枕梁的變形最大值約為0.31mm，位置為枕梁端部，見(jiàn)圖2。

由表3和圖2、3、4可看出，在各載荷工況作用下，枕梁上的最大當(dāng)量應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力，雖滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求，但最大應(yīng)力仍較高，且上蓋板與下蓋板組成比較剛度不協(xié)調(diào)，造成上蓋板折彎處變形較大，適配座與中間箱型結(jié)構(gòu)比較剛度不協(xié)調(diào)，造成上蓋板拉應(yīng)力較大。

2.3 工藝因素

北美鐵路協(xié)會(huì)AAR的統(tǒng)計(jì)資料表明，鑄造缺陷是搖枕在運(yùn)用中發(fā)生疲勞裂紋的主要原因。枕梁的制造工藝與其出現(xiàn)疲勞裂紋現(xiàn)象密切相關(guān)，對(duì)材料進(jìn)行了化學(xué)成分檢測(cè)之后，對(duì)焊縫也進(jìn)行了檢測(cè)，焊縫存在微裂紋，也存有少量未熔合、氣孔等缺陷。

2.4 試驗(yàn)因素

枕梁靜強(qiáng)度及疲勞試驗(yàn)在電液伺服疲勞時(shí)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，枕梁的靜強(qiáng)度試驗(yàn)包括超常載荷試驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)載荷試驗(yàn)，超常載荷試驗(yàn)載荷包括模擬直線運(yùn)行試驗(yàn)載荷、模擬曲線運(yùn)行載荷試驗(yàn)、調(diào)車沖擊（5g加速度）載荷、抗蛇形減振器載荷。運(yùn)營(yíng)載荷試驗(yàn)載荷包括模擬直線運(yùn)行試驗(yàn)載荷、模擬曲線運(yùn)行試驗(yàn)載荷、抗蛇形減振器載荷。枕梁的疲勞試驗(yàn)包括模擬曲線運(yùn)行載荷試驗(yàn)、驅(qū)動(dòng)載荷試驗(yàn)。

由于試驗(yàn)期間未對(duì)枕梁疲勞試驗(yàn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，枕梁出現(xiàn)裂紋后對(duì)疲勞試驗(yàn)工裝進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)某螺栓有松動(dòng)現(xiàn)象，在試驗(yàn)時(shí)易導(dǎo)致枕梁發(fā)生較大振動(dòng)，增加了枕梁出現(xiàn)裂紋的概率。

3 枕梁優(yōu)化方案

3.1 對(duì)枕梁料進(jìn)行嚴(yán)格控制

首先對(duì)新枕梁原材料進(jìn)行了多項(xiàng)材料性能檢測(cè)及射線探傷，對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行了分析，均無(wú)問(wèn)題后，開(kāi)始進(jìn)行加工。每項(xiàng)加工工藝完成后按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲波探傷或磁粉探傷檢查。

3.2 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

改變?cè)砹簽樯仙w板與筋板相連的結(jié)構(gòu)，改為下蓋板與筋板相連的結(jié)構(gòu)，利用ANSYS軟件進(jìn)行了剛度計(jì)算：優(yōu)化后的枕梁剛度比原枕梁剛度更為協(xié)調(diào)。

完成靜強(qiáng)度計(jì)算后，采用疲勞應(yīng)力因數(shù)對(duì)枕梁結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核，參照ORE B12/RP17（82）提供的鋼材疲勞極限圖，利用模擬運(yùn)營(yíng)的各個(gè)載荷工況分別對(duì)枕梁關(guān)鍵的22條焊縫的應(yīng)力因數(shù)進(jìn)行分析，只有一條焊縫的應(yīng)力因數(shù)為0.791，應(yīng)力等級(jí)為中級(jí)。其余各關(guān)鍵部位應(yīng)力因數(shù)均小于0.75，應(yīng)力等級(jí)較低。

3.3 工藝優(yōu)化

考慮到在加工枕梁上蓋板的折彎時(shí)，枕梁材料內(nèi)部容易出現(xiàn)微裂紋等多重因素，取消了枕梁上蓋板的折彎，降低了工藝難度，同時(shí)對(duì)所有的焊接接頭按EN15085標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。在對(duì)新枕梁進(jìn)行焊接之前，對(duì)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行了清潔，徹底防護(hù)有害灰塵、金屬粉、油脂類以及濕氣，并采用專用檢測(cè)模具對(duì)物料進(jìn)行了嚴(yán)格的檢查，以保證裝配尺寸，避免未焊滿、余高過(guò)高、焊縫有效厚度不足等問(wèn)題，另外用不銹鋼絲刷打磨待焊部位，清除了氧化膜。在嚴(yán)格按照?qǐng)D紙規(guī)定的焊接方法進(jìn)行焊接時(shí)，也采取了一系列措施保證了焊接質(zhì)量：如在用砂輪機(jī)清根和清除焊接缺陷時(shí)，保證焊接部分不被油脂等污染；使用等離子進(jìn)行表面切割，充分去除表面氧化物；注意弧坑部的填補(bǔ)，若出現(xiàn)弧燒必須進(jìn)行重新焊接。

焊接完畢后，對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行了高速打磨，并進(jìn)行了RT探傷（射線探傷）檢查，若有缺陷再進(jìn)行焊接修補(bǔ)，然后重新進(jìn)行RT檢查，直至合格為止。

3.4 試驗(yàn)優(yōu)化

在對(duì)新枕梁試件進(jìn)行靜強(qiáng)度與疲勞試驗(yàn)期間，多次檢查試驗(yàn)狀況，保證試驗(yàn)期間試驗(yàn)臺(tái)及其工裝無(wú)問(wèn)題，無(wú)螺絲松動(dòng)，保證了測(cè)試數(shù)據(jù)的正確性。

4 結(jié)語(yǔ)

從材料、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、試驗(yàn)各個(gè)方面對(duì)枕梁出現(xiàn)裂紋的原因進(jìn)行分析，并有針對(duì)性地對(duì)枕梁進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)ANSYS軟件驗(yàn)證，新枕梁強(qiáng)度比原枕梁大幅降低，滿足相關(guān)強(qiáng)度及疲勞標(biāo)準(zhǔn)要求后進(jìn)入采購(gòu)生產(chǎn)制造周期，在關(guān)鍵階段對(duì)物料和焊縫進(jìn)行探傷檢測(cè)，保證了新枕梁的生產(chǎn)質(zhì)量。經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化方案，在靜強(qiáng)度試驗(yàn)中新枕梁的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，且在1000萬(wàn)次的疲勞試驗(yàn)未出現(xiàn)裂紋，順利地通過(guò)了型式試驗(yàn)。

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基金項(xiàng)目：鐵道部科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2012J003-C）

作者簡(jiǎn)介：張相寧，男，河北辛集人，唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心工程師，工學(xué)碩士，研究方向：軌道車輛仿真計(jì)算。