對轉(zhuǎn)８Ｇ、轉(zhuǎn)８ＡＧ原型交叉桿疲勞裂紋問題的研究

摘要：通過對轉(zhuǎn)8G、轉(zhuǎn)8AG型轉(zhuǎn)向架交叉桿疲勞裂紋的原因分析，闡明如何使交叉桿更加安全可靠及如何延長交叉桿的使用壽命。

關(guān)鍵詞：交叉桿；裂紋

2002年3月份以來，運用中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)8G、 轉(zhuǎn)8AG型轉(zhuǎn)向架交叉支撐裝置非刮碰而產(chǎn)生裂紋故障253起（裂紋部位及形式見圖（1），約占裝車交叉支撐裝置總數(shù)的0.55%（統(tǒng)計到5月15日止）。

1 裂紋斷口分析

對裂紋部位斷口分析表明，裂紋基本都發(fā)生在上、下蓋板與定位座之間的縱向焊縫的收弧處。經(jīng)對裂紋斷口在掃描電鏡下觀察，裂紋源位于縱向焊縫的收弧端，可明顯看到裂紋向兩側(cè)擴展的跡象。經(jīng)對蓋板未裂的焊趾取樣，采用逐層磨削進行金相分析，也發(fā)現(xiàn)在收弧端存在原始裂紋。

經(jīng)分析研究認為：焊縫收弧處存在原始裂紋，在交變載荷下形成宏觀裂紋。

2 裂紋原因分析

2.1 設計原因

(a)現(xiàn)有疲勞試驗條件還不能完全反映交叉支撐裝置在運用、制造中的受力狀況，其中包括在二、三級線路上由線路不平順造成交叉支撐裝置垂向沖擊和扭轉(zhuǎn)工況以及因制造偏差造成交叉桿在組裝中的別勁等。這就意味著，原先制定的考核交叉桿靜強度和疲勞強度的工況，需要修訂改進。修訂時，應從分考慮不同線路、車輛制造和組裝中的最不利的因素。

（b）蓋板結(jié)構(gòu)本身存在薄弱部位，板邊距定位座一側(cè)太近，一旦焊縫收弧處存在裂紋源，在交變載荷作用下，就容易在該薄弱部位擴展。同時，定位座的結(jié)構(gòu)型式和焊縫的布置也不盡合理，容易產(chǎn)生較大的應力集中。

2.2 組裝制造原因

（a）焊縫處理

轉(zhuǎn)8G、轉(zhuǎn)8AG型轉(zhuǎn)向架交叉桿定位座與蓋板的連接縱焊縫，其收弧端容易產(chǎn)生應力集中，加上在該收弧端產(chǎn)生咬肉、夾渣和未焊透等缺陷，因此雖然設計圖樣和技術(shù)條件要求對焊縫及其焊趾進行處理以消除原始缺陷，但在實際生產(chǎn)作業(yè)時處理不到位。

(b)制造偏差

交叉支撐裝置的設計圖樣上，規(guī)定了交叉桿的直線度和尺寸公差，但在實際制造時，還存在位于對角線上的兩根桿不在一直線上、兩法蘭端面不平行、同側(cè)兩交叉桿端頭中心距離與側(cè)架兩支撐座中心距離不一致等現(xiàn)象。其表現(xiàn)為交叉桿與側(cè)架組裝存在別勁現(xiàn)象，上述問題存在會導致交叉支撐裝置與側(cè)架組裝后，造成一定的內(nèi)應力。

（c）組裝后的質(zhì)量控制

交叉支撐裝置裝于轉(zhuǎn)向架后，若在車體落下后由斜楔狀態(tài)產(chǎn)生的搖枕與側(cè)架不正位，將對交叉支撐組成受力狀態(tài)產(chǎn)生不利的影響。在轉(zhuǎn)向架組裝時，需在交叉支撐裝置組裝后對轉(zhuǎn)向架進行正位檢測，控制組裝質(zhì)量。

3 轉(zhuǎn)8G型、轉(zhuǎn)8AG型交叉支撐裝置改進方案研究

3.1 主要改進內(nèi)容及理由

改進方案見圖（2）主要改進內(nèi)容有：

（a）加寬蓋板，消除原薄弱部位。原蓋板焊縫收弧處距板邊僅10mm，改進后焊縫收弧處到板邊距離增加到40 mm；

（b）上蓋板長圓孔改為壓窩結(jié)構(gòu)，提高上蓋板的剛度和強度。

（c）改變材質(zhì)，由09CuPTiRe改為高強度耐侯鋼09CuPCrNi-A，其屈服強度為345Mpa，比09CuPTiRe耐侯鋼強度提高了17%。

（d）優(yōu)化定位座結(jié)構(gòu)，由原方頭改為圓頭，減小應力集中。

定位座與蓋板的焊接形式：

定位座與蓋板的焊縫形式有三種：

ⅰ）兩側(cè)焊縫與中間孔內(nèi)塞焊縫并齊，優(yōu)點是焊接工藝性好，兩側(cè)焊縫與中間焊縫同時受力。

ⅱ）全封閉焊縫，優(yōu)點是焊縫處的應力集中較小，缺點是圓弧端焊接工藝性差。

ⅲ）半封閉焊縫，介于以上兩方案之間。

(f)優(yōu)化定位座與桿體環(huán)焊縫的型式，在定位座環(huán)焊縫部位開環(huán)形槽，同時減小與鋼管間的配合間隙。并采用焊后熱處理，提高該對接環(huán)焊縫的疲勞強度。

3.2 改進方案的強度計算和試驗

（a）改進方案有限元計算分析

由大連鐵道學院和同濟大學對改進方案和原方案的交叉支撐裝置按新計算大綱的要求，進行了有限元計算。

計算結(jié)果表明：原方案與改進方案在桿體的最大應力幾乎沒有差別，而蓋板出現(xiàn)裂紋部位的最大應力，改進方案較原方案應力水平下降了40%左右；扭曲對交叉支撐裝置的蓋板應力影響較大。

（b）靜強度試驗

由同濟大學對改進方案交叉支撐裝置進行了靜強度試驗。

試驗結(jié)果表明，原方案與改進方案在桿體的最大應力幾乎沒有差別，而蓋板容易出現(xiàn)裂紋部位的最大應力改進方案較原方案應力水平下降了50%左右。

（c）動應力測試試驗

由北方交通大學對轉(zhuǎn)8G型、轉(zhuǎn)8AG型交叉支撐裝置的原型方案和改進方案再次進行了兩次正線運行動應力測試。動應力測試結(jié)果表明，第?。┓N焊接形式的焊縫前端動應力較小。

（d）小半徑曲線動應力測試試驗

由北方交通大學對原方案交叉支撐裝置及改進后的交叉支撐裝置進行了齊車公司廠內(nèi)小半徑曲線上的動應力測試試驗。結(jié)果表明，蓋板容易出現(xiàn)裂紋部位的最大動應力幅值，改進方案為60Mpa，原方案為120 Mpa，降低了50%。比較小半徑曲線動應力與正線動應力測試結(jié)果，小半徑曲線最大動應力幅值比正線上的動應力幅值約減小20%-30%。交叉桿桿身預制變形后，其動應力幅值比正常桿身的明顯增大，特別是定位座與連接板焊縫的端頭，在通過R122m和R150m曲線時，約比正常桿身該部位的動應力幅值提高60%左右，這是由附加彎矩引起的，因此必須控制桿身的變形。

（e）單側(cè)鐵鞋制動試驗

為模擬駝峰調(diào)車作業(yè)工況，在齊車公司線路上，對裝改進后的交叉支撐裝置的轉(zhuǎn)向架進行單側(cè)鐵鞋制動試驗。結(jié)果表明，當速度分別為5km/h、7 km/h、10 km/h的重車實施單側(cè)鐵鞋制動時，交叉支撐裝置上的應力均不超過55 Mpa。單側(cè)鐵鞋制動對交叉支撐組成的強度不會產(chǎn)生大的影響。

（f）頂升試驗

為模擬列檢對軸承檢查作業(yè)工況，齊車公司對裝有改進后的交叉支撐裝置的轉(zhuǎn)向架進行了軸端頂升試驗，以確定不超過材料屈服強度的最大頂升強度。試驗結(jié)果表明，同步頂升一根軸兩端或一個側(cè)架兩端，無論頂升多少高度，對交叉支撐組成受力情況都沒有明顯的影響，而頂升一個軸端時，不超過材料屈服強度的最大頂升高度為70mm。

（g）疲勞試驗

應用修訂的疲勞試驗工況，對原型和改進型交叉支撐裝置進行了對比試驗。對比試驗表明交叉桿對接環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量等因素對交叉支撐裝置的疲勞強度有明顯影響。

綜上所述：為了延長交叉支撐裝置的使用壽命和更安全可靠，除獲得實測應力譜外，需要進行焊縫接頭的試驗研究和更多實物試件的疲勞試驗，隨著各項試驗研究的深入開展，交叉支撐裝置的結(jié)構(gòu)和工藝會得到進一步的改進。交叉支撐裝置的使用壽命也會更進一步的提高。

作者簡介：本人于1997年8月畢業(yè)于西南交通大學鐵道車輛專業(yè)，畢業(yè)后被分配到長春鐵路運輸技工學校（即現(xiàn)在的沈鐵長春鐵路職工培訓中心）任鐵道車輛專業(yè)教師直至今?，F(xiàn)主要在特培教研組，主要從事在職職工脫產(chǎn)培訓的一線教學。尤其是電工特殊工種的培訓。２００２初被聘為中級講師職稱。現(xiàn)技術(shù)職稱為中級工程師。出生年：１９７４年.籍貫：吉林省農(nóng)安縣。