張 明 智鵬鵬 霍文彪 李志永

1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司技術(shù)研究中心，唐山，0630352.電子科技大學(xué)長三角研究院(湖州)，湖州，313001 3.電子科技大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，成都，611731

0 引言

輪緣潤滑裝置作為地鐵車輛的主要部件，用于改善輪緣與軌道之間的接觸狀態(tài)，起到延長輪對(duì)及鋼軌使用壽命、降低輪軌噪聲的作用。然而，由于地鐵車輛在服役運(yùn)行期間受高維時(shí)變簡(jiǎn)諧載荷和隨機(jī)載荷作用，加之環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，使輪緣潤滑裝置極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂紋或斷裂等現(xiàn)象，致使車輛正常線路運(yùn)行存在較大的安全隱患，嚴(yán)重影響車輛運(yùn)行品質(zhì)和可靠性。因此，為了減少輪緣潤滑裝置因裂紋、斷裂等引發(fā)的車輛故障，有必要對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行全面剖析，以期為結(jié)構(gòu)改進(jìn)和可靠性提高提供參考。

掌握裂紋或斷裂現(xiàn)象分析的手段和方法是探明其失效機(jī)理的前提和基礎(chǔ)。對(duì)于軌道車輛結(jié)構(gòu)因疲勞引發(fā)的故障機(jī)理分析，部分設(shè)計(jì)人員及學(xué)者開展了相關(guān)研究，耿幸福等[1]通過有限元仿真分析了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的補(bǔ)強(qiáng)效果和疲勞裂紋現(xiàn)象，提出了優(yōu)化補(bǔ)強(qiáng)和焊縫處理的改進(jìn)方案；廖愛華等[2]建立了基于固定界面模態(tài)綜合法的地鐵車輛剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型，通過分析構(gòu)架的振動(dòng)特性，明確其局部裂紋產(chǎn)生的原因；沈豪[3]針對(duì)地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的開裂問題，從材料學(xué)角度進(jìn)行宏微觀形貌、化學(xué)成分、拉伸和疲勞性能分析，確定失效的主要成因；徐貴寶[4-5]從宏觀特征、微觀組織等方面，對(duì)地鐵轉(zhuǎn)向架用關(guān)鍵薄壁鑄鋼件斷裂原因進(jìn)行剖析，提出了工藝優(yōu)化方案；李廣全等[6]基于線路測(cè)試數(shù)據(jù)研究輪箱體的自由模態(tài)，探明了引發(fā)齒輪箱疲勞裂紋的主要機(jī)理。上述研究雖然揭示了結(jié)構(gòu)裂紋或斷裂產(chǎn)生的部分原因，但研究方法過于單一，對(duì)其機(jī)理的研究不夠深入。為此，林勤等[7]提出了靜強(qiáng)度分析和線路振動(dòng)測(cè)試相結(jié)合的電纜支架裂紋原因分析方法；許喆等[8]提出了疲勞強(qiáng)度仿真和動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)相結(jié)合的地鐵轉(zhuǎn)向架排障器斷裂原因分析方法；諶亮等[9]提出了斷口分析、靜強(qiáng)度分析和動(dòng)應(yīng)力測(cè)試相結(jié)合的制動(dòng)橫梁裂紋故障分析方法。盡管這些方法提高了結(jié)構(gòu)裂紋或斷裂機(jī)理分析的準(zhǔn)確性，但仍需要在分析角度和深度方面進(jìn)行更加系統(tǒng)的研究。

本文以地鐵車輛輪緣潤滑裝置吊架為研究對(duì)象，綜合分析了其服役過程中的斷裂問題，并給出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。從材料學(xué)的角度進(jìn)行吊架斷口的宏觀形貌、微觀斷口、組織結(jié)構(gòu)等組織性能分析；從線路試驗(yàn)角度進(jìn)行吊架焊縫的動(dòng)應(yīng)力測(cè)試；從理論角度進(jìn)行吊架焊縫的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度仿真分析；三種方法相互佐證確定吊架斷裂的主要成因。在此基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并利用仿真分析和線路試驗(yàn)對(duì)其合理性進(jìn)行驗(yàn)證。該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)斷裂機(jī)理分析的不完整性，為有效提高結(jié)構(gòu)的安全性提供了一定參考。

1 輪緣潤滑裝置吊架斷裂的組織性能分析

1.1 斷口形貌分析

在對(duì)某地鐵車輛運(yùn)行33萬公里進(jìn)行例行檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分車輛的輪緣潤滑裝置吊架存在較大裂紋，輕微錘擊后出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。為了探究吊架斷裂的主要機(jī)理，以3號(hào)車斷裂吊架為對(duì)象，對(duì)其斷口形貌進(jìn)行測(cè)量與分析。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，吊架斷口的厚度約為12.4 mm，螺栓安裝處板材厚度為10.7 mm，滿足圖紙T0000110081中板材厚度的最小尺寸要求，測(cè)量結(jié)果如圖1所示。

對(duì)斷口外觀形貌進(jìn)行標(biāo)記，如圖2所示，可知，斷裂發(fā)生在加強(qiáng)筋焊接的角焊縫所在的截面位置，開裂截面為吊架有效面積的最小處，斷口無明顯的塑性變形，斷口表面被輪緣潤滑塊摩擦下來的碳粉及空氣中的灰塵覆蓋，呈黑灰色。在斷口加強(qiáng)筋右側(cè)可見一處明顯的疲勞弧線，初步判定斷裂是由疲勞引起的。

(a)瞬斷區(qū)交匯

在吊座斷口附近取焊縫試樣進(jìn)行標(biāo)記，如圖3所示，可知，加強(qiáng)筋兩側(cè)焊縫熔合深度不對(duì)稱，在斷口左側(cè)焊縫位置發(fā)現(xiàn)了焊接未熔合缺陷。

(a)焊縫熔合深度不對(duì)稱

為了進(jìn)一步分析斷裂原因，利用掃描電鏡對(duì)圖3中的斷口進(jìn)行觀察，裂紋源位置及其微觀形貌如圖4所示。由圖4可知，裂紋源位于加強(qiáng)筋端面左、右兩角焊縫位置，由角焊縫中焊接未熔合缺陷處起源；左側(cè)裂紋源位置被磨損，右側(cè)疲勞擴(kuò)展區(qū)可見明顯的疲勞弧線，疲勞弧線細(xì)密，疲勞擴(kuò)展區(qū)占斷口90%以上，說明吊座承受高頻交變小載荷作用；兩裂紋源擴(kuò)展過程在中間交匯，并在兩源中間位置形成一條交匯臺(tái)階，交匯后繼續(xù)擴(kuò)展直至完全斷裂。

(a)斷口裂紋源位置

通過對(duì)斷口焊縫裂紋源的微觀組織觀察可知，在加強(qiáng)筋兩側(cè)的角焊縫端頭位置有焊接氧化皮及焊瘤缺陷存在，該位置可能為焊接引弧或收弧位置，且在疲勞擴(kuò)展區(qū)內(nèi)出現(xiàn)多條二次裂紋，如圖5所示。

(a)裂紋源a處焊瘤

1.2 組織分析

對(duì)吊架斷口進(jìn)行金相組織分析，得到其組織結(jié)構(gòu)如圖6所示，可知，吊架斷口處的晶粒度為9級(jí)，金相組織為鐵素體和珠光體，組織未見異常，帶狀組織方向與斷口平行。

(a)吊架斷口金相組織

綜合上述組織性能分析可知，吊架斷口處焊縫內(nèi)部存在焊接未熔合缺陷，以及焊接熔深不對(duì)稱問題。在運(yùn)行過程中，焊接缺陷位置的載荷達(dá)到材料疲勞極限時(shí)，疲勞裂紋產(chǎn)生，且擴(kuò)展區(qū)占斷口的90%以上，為典型的低應(yīng)力疲勞。在疲勞擴(kuò)展區(qū)中可清晰地觀察到疲勞裂紋，且間距較小，為典型的高周疲勞，斷口中心偏安裝面一側(cè)形成的疲勞交匯臺(tái)階，說明存在與軌道方向平行的反復(fù)彎曲應(yīng)力，并在列車構(gòu)架等各種振動(dòng)循環(huán)載荷作用下不斷擴(kuò)展，最終開裂。在吊架縱截面中心部位存在帶狀組織，且延伸方向與斷面平行，說明該組織抑制疲勞裂紋擴(kuò)展的能力較差。可見，從材料學(xué)的角度可得，焊接未熔合缺陷是導(dǎo)致吊架疲勞斷裂的主要原因。

2 輪緣潤滑裝置吊架線路試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗疲勞性能，依據(jù)吊架出現(xiàn)裂紋或斷裂故障的區(qū)域，進(jìn)行列車運(yùn)行時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)測(cè)試。以出現(xiàn)裂紋故障列車的4車3軸的兩個(gè)輪緣潤滑裝置支架為對(duì)象，共布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體位置及方向如圖7所示。

(a)左側(cè)測(cè)點(diǎn) (b)右側(cè)測(cè)點(diǎn)

列車在正常線路運(yùn)行時(shí)，可通過動(dòng)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變與時(shí)間的變化關(guān)系，獲得相應(yīng)的時(shí)域圖，其中測(cè)點(diǎn)L03的時(shí)域圖見圖8。由圖8可知，在整個(gè)測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，應(yīng)變呈現(xiàn)大幅度振蕩，說明列車運(yùn)行過程傳遞給吊架的振動(dòng)使加強(qiáng)筋焊縫處出現(xiàn)較強(qiáng)的周期性循環(huán)載荷。

(a)測(cè)點(diǎn)L03-A的時(shí)域圖

采用雨流計(jì)數(shù)法對(duì)動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)中所采集的應(yīng)力-時(shí)間歷程進(jìn)行處理，并基于Miner線性疲勞累計(jì)損傷法則和IIW標(biāo)準(zhǔn)推薦的材料S-N曲線進(jìn)行損傷計(jì)算，其表達(dá)式為[10]

(1)

式中，L1為試驗(yàn)測(cè)試走行公里數(shù)；L為壽命周期內(nèi)運(yùn)行總里程；m、C為材料常數(shù)；σ-1ai、ni分別為第i級(jí)應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)地鐵車輛運(yùn)行360萬公里的服役壽命要求，將單次運(yùn)行里程及線路測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)代入式(1)，進(jìn)行各個(gè)測(cè)點(diǎn)損傷計(jì)算，各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)損傷值見表1。

表1 吊架各測(cè)點(diǎn)損傷值

由表1可知，在吊架加強(qiáng)筋焊接的角焊縫處布置的12個(gè)測(cè)點(diǎn)中，有10個(gè)測(cè)點(diǎn)損傷值大于1，且其中8個(gè)測(cè)點(diǎn)嚴(yán)重超標(biāo)，說明該位置的疲勞性能極差，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不滿足線路運(yùn)行要求，從線路試驗(yàn)角度證明了吊架斷裂的主要原因并非僅是焊接未熔合缺陷，該吊架從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也存在一定的缺陷。但線路測(cè)試的測(cè)點(diǎn)有限，影響因素較多，測(cè)試結(jié)果有必要與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

3 輪緣潤滑裝置吊架結(jié)構(gòu)性能仿真分析

3.1 靜強(qiáng)度分析

為了保證吊架建模的精度，結(jié)構(gòu)整體采用Solid187單元，連接螺栓采用Beam188單元，潤滑裝置的重心采用Mass21單元，采用剛性元CERIG模擬各螺栓間的連接，有限元模型如圖9所示。根據(jù)EN1374: 2011和UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)吊架施加超常載荷工況，主要包含X、Y和Z方向的各種加速度，以及X、Y、Z、XOY、YOZ、ZOX方向的全約束，靜強(qiáng)度分析計(jì)算工況見表2，其中g(shù)=9.81 m/s2，“+”為加速度的正向，“-”為加速度的反向。

圖9 吊架有限元模型

表2 靜強(qiáng)度載荷工況

地鐵車輛計(jì)算結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度時(shí)，以當(dāng)量應(yīng)力為基準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)為：在超常載荷工況下，母材當(dāng)量應(yīng)力應(yīng)小于相應(yīng)材料S=1時(shí)的許用應(yīng)力，焊縫當(dāng)量應(yīng)力應(yīng)小于相應(yīng)材料S=1.1時(shí)的許用應(yīng)力。本文所采用的當(dāng)量應(yīng)力計(jì)算式為

(2)

式中，σe為當(dāng)量應(yīng)力；σi為主應(yīng)力(i=1,2,3)。

根據(jù)圖9和表2，計(jì)算吊架在超常載荷工況下的靜強(qiáng)度，應(yīng)力云圖見圖10。

(a)工況1 (b)工況2

由圖10可知，工況3、4、5、6下的最大應(yīng)力主要發(fā)生在母材上，且應(yīng)力較小，安全系數(shù)較高；而工況1、2、7、8的最大應(yīng)力主要發(fā)生在加強(qiáng)筋角焊縫處，且數(shù)值較大，最大值為294 MPa，超出所用材料的屈服強(qiáng)度值275 MPa，說明在靜態(tài)載荷作用下吊架在加強(qiáng)筋角焊縫處的靜強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 疲勞強(qiáng)度分析

吊架的疲勞強(qiáng)度仿真是從理論角度評(píng)估其疲勞性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的主要方法，能夠更為全面地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估。對(duì)焊縫區(qū)域的材料利用率進(jìn)行計(jì)算分析，可以初步獲得疲勞強(qiáng)度薄弱部位。為此，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定利用表3中提供的疲勞組合工況對(duì)吊架進(jìn)行加載，約束為X、Y、Z、XOY、YOZ、ZOX方向的全約束，通過編制相應(yīng)程序?qū)崿F(xiàn)材料利用率的計(jì)算。

表3 疲勞強(qiáng)度載荷工況

根據(jù)材料利用率的定義，其表達(dá)式為

ρ1=Sn/S-1

(3)

式中，ρ1為材料利用率；Sn為計(jì)算應(yīng)力幅值，S-1為材料許用應(yīng)力幅值。

由式(3)可知，材料利用率值越大，吊架越容易產(chǎn)生疲勞破壞，反之，吊架越容易滿足疲勞強(qiáng)度要求。當(dāng)材料利用率超過1時(shí)，吊架結(jié)構(gòu)一定不滿足疲勞強(qiáng)度要求。

吊架的材質(zhì)為非合金結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)，其材料的抗疲勞性能取值應(yīng)依據(jù)疲勞極限圖(MKJ圖)，如圖11所示。該圖為2.0×106次循環(huán)、99.5%幸存概率所對(duì)應(yīng)的疲勞極限。

圖11 疲勞極限圖

依據(jù)MKJ圖，對(duì)8組工況進(jìn)行組合，計(jì)算吊架焊縫處的材料利用率，分析結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，藍(lán)色云圖為吊架焊縫區(qū)域材料利用率小于1的位置，而加強(qiáng)筋焊縫頂端的材料利用率為1.161，不滿足吊架疲勞強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)要求。綜合有限元分析結(jié)果可知，吊架在加強(qiáng)筋焊縫處的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且其超標(biāo)位置與斷裂位置一致，說明在設(shè)計(jì)時(shí)該位置存在疲勞斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖12 吊架焊縫材料利用率

綜上所述，通過從材料組織性能、結(jié)構(gòu)線路試驗(yàn)和理論仿真分析三個(gè)方面對(duì)地鐵車輛輪緣潤滑裝置吊架斷裂的分析可知，吊架斷裂的主要原因?yàn)榈蛻?yīng)力高周疲勞引發(fā)的疲勞斷裂，由加強(qiáng)筋角焊縫中未熔合缺陷引起，并在列車構(gòu)架等各種振動(dòng)循環(huán)載荷作用下不斷擴(kuò)展。線路試驗(yàn)和有限元仿真結(jié)果也同時(shí)證明，在吊架加強(qiáng)筋角焊縫處存在因設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的疲勞性能不滿足標(biāo)準(zhǔn)和線路運(yùn)行要求的問題，這是導(dǎo)致吊架斷裂的首要原因。三種方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了吊架斷裂機(jī)理的系統(tǒng)分析。

4 輪緣潤滑裝置吊架結(jié)構(gòu)改進(jìn)及驗(yàn)證

通過對(duì)原始結(jié)構(gòu)的有限元仿真和實(shí)際線路測(cè)試可知，原始結(jié)構(gòu)在中間變窄部位與筋板根部焊接位置在一條水平線上，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致運(yùn)行過程中極易出現(xiàn)裂紋。因此，提出將中間變窄的角度放緩，筋板加長至焊接板邊緣的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。同時(shí)，為提高焊接質(zhì)量，避免焊接未熔合現(xiàn)象，材料替換為S355J2W，更改后的結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 吊架結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

根據(jù)第3節(jié)給出的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度仿真分析工況，對(duì)新型輪緣潤滑裝置吊架進(jìn)行仿真分析，8個(gè)工況下的計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表4，新型吊架結(jié)構(gòu)焊縫處的材料利用率如圖14所示。

表4 吊架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后應(yīng)力對(duì)比

圖14 新型吊架焊縫材料利用率

由表4可知，新型吊架結(jié)構(gòu)在工況1、2、7、8的最大應(yīng)力均有所降低，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)所用材質(zhì)S355J2W的屈服強(qiáng)度355 MPa；雖然工況3、4、5、6下的最大應(yīng)力均有所增大，但仍遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，說明新型吊架的靜強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由圖14可知，在疲勞載荷作用下，新型吊架結(jié)構(gòu)的材料最大利用率為0.544，小于所允許的材料利用率1，說明新型吊架的疲勞強(qiáng)度也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。通過對(duì)新型吊架結(jié)構(gòu)的焊縫進(jìn)行探傷，未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，說明焊接質(zhì)量滿足要求。

根據(jù)仿真分析結(jié)果及舊結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂紋區(qū)域，進(jìn)行新型結(jié)構(gòu)的測(cè)點(diǎn)布置。選取筋板根部及根部兩側(cè)，結(jié)構(gòu)中間變窄位置，共布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖15所示。通過正常線路運(yùn)行測(cè)試，得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域圖，并基于式(1)計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的損傷值，其中部分測(cè)點(diǎn)的時(shí)域圖見圖16，各測(cè)點(diǎn)的損傷值見表5。

圖15 新型吊架測(cè)點(diǎn)布置圖

(a)測(cè)點(diǎn)N01時(shí)域圖

表5 新型吊架各測(cè)點(diǎn)損傷值

由圖16可知，新型吊架測(cè)點(diǎn)微應(yīng)變?cè)谙嗤€路運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)幅值明顯小于舊結(jié)構(gòu)，說明在相同外界激擾條件下新型吊架的振動(dòng)較小，從而使加強(qiáng)筋板附近的應(yīng)變片變化較小。由表5可知，各測(cè)點(diǎn)的損傷值均遠(yuǎn)小于1，說明新型吊架的疲勞性能滿足線路運(yùn)行的要求，且與有限元分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)地鐵車輛輪緣潤滑裝置吊架斷裂問題，從材料、試驗(yàn)和理論角度提出組織性能分析、線路測(cè)試和有限元仿真相結(jié)合的機(jī)理分析方法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)機(jī)理研究方法單一、分析不全面的不足。

(2)吊架斷口的組織性能分析表明，吊架加強(qiáng)筋角焊縫內(nèi)部存在未熔合缺陷，并在外界各種振動(dòng)循環(huán)載荷作用下不斷擴(kuò)展，最終產(chǎn)生低應(yīng)力高周疲勞斷裂。此外，吊架原材料內(nèi)部帶狀組織抗疲勞能力較差，在裂紋擴(kuò)展期間有促進(jìn)作用。

(3)線路試驗(yàn)表明，吊架疲勞斷裂主要在于運(yùn)行過程中受到較強(qiáng)的交變載荷作用，與材料分析中的低應(yīng)力高周疲勞相吻合；在12個(gè)測(cè)點(diǎn)中，10個(gè)測(cè)點(diǎn)的損傷值超標(biāo)，最大值為43.2，表明吊架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)方面存在嚴(yán)重缺陷，不滿足線路運(yùn)行要求。

(4)有限元分析表明，吊架靜強(qiáng)度的最大值為294.0 MPa，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)力集中點(diǎn)在加強(qiáng)筋角焊縫處；疲勞強(qiáng)度結(jié)果顯示的焊縫材料最大利用率為1.161，超標(biāo)焊縫為加強(qiáng)筋角焊縫。兩種分析結(jié)果均與吊架斷口位置吻合。

(5)改進(jìn)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)、材料及焊接質(zhì)量后，有限元分析和線路試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且具有較大的安全余量，可顯著增長吊架的服役壽命。