基于仿真試驗平臺的動車組枕梁優(yōu)化研究

張相寧等

摘要：文章針對某動車組枕梁在進行疲勞試驗時出現(xiàn)了裂紋的問題，從材料、設(shè)計、生產(chǎn)工藝、試驗各個方面對枕梁出現(xiàn)裂紋的原因進行分析。借助ANSYS軟件及探傷檢查等方法，對枕梁進行了優(yōu)化設(shè)計和工藝控制，優(yōu)化后的枕梁順利通過了強度及疲勞試驗。

關(guān)鍵詞：仿真試驗平臺；動車組；枕梁優(yōu)化；疲勞試驗

中圖分類號：U270 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）29-0026-03

1 概述

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

為了保證枕梁的設(shè)計及制造質(zhì)量，相關(guān)標準明確提出了在滿足靜強度試驗要求的同時，要滿足疲勞試驗1000萬次的要求。為適合城際和干線鐵路低成本、制造簡單的要求，某動車組采用了焊接結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架枕梁。但在疲勞試驗進行到711萬次時，對枕梁進行磁粉探傷，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級鋼。各零部件的力學性能如表1。

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

2.2 仿真計算原因分析

2.2.1 計算方法。完成轉(zhuǎn)向架枕梁三維設(shè)計之后，為了驗證結(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進行仿真分析。計算中對模型進行有限元離散時采用三維實體單元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，整個模型共離散成185510個實體單元，341972個節(jié)點。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。為盡量模擬真實的情況，在仿真計算時對枕梁相應(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 載荷計算及工況。計算載荷及工況依據(jù)標準TB/T2637-2008《鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、搖枕及搖動臺》（以下簡稱TB/T2637-2008）和UIC615-4《動力車-轉(zhuǎn)向架和走行裝置-轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強度試驗》（以下簡稱UIC615-4）。

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

由表3和圖2、3、4可看出，在各載荷工況作用下，枕梁上的最大當量應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力，雖滿足強度標準要求，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AAR的統(tǒng)計資料表明，鑄造缺陷是搖枕在運用中發(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)，對材料進行了化學成分檢測之后，對焊縫也進行了檢測，焊縫存在微裂紋，也存有少量未熔合、氣孔等缺陷。

2.4 試驗因素

枕梁靜強度及疲勞試驗在電液伺服疲勞時試驗臺上進行，枕梁的靜強度試驗包括超常載荷試驗和運營載荷試驗，超常載荷試驗載荷包括模擬直線運行試驗載荷、模擬曲線運行載荷試驗、調(diào)車沖擊（5g加速度）載荷、抗蛇形減振器載荷。運營載荷試驗載荷包括模擬直線運行試驗載荷、模擬曲線運行試驗載荷、抗蛇形減振器載荷。枕梁的疲勞試驗包括模擬曲線運行載荷試驗、驅(qū)動載荷試驗。

由于試驗期間未對枕梁疲勞試驗情況進行實時監(jiān)控，枕梁出現(xiàn)裂紋后對疲勞試驗工裝進行了檢測，發(fā)現(xiàn)某螺栓有松動現(xiàn)象，在試驗時易導(dǎo)致枕梁發(fā)生較大振動，增加了枕梁出現(xiàn)裂紋的概率。

3 枕梁優(yōu)化方案

3.1 對枕梁料進行嚴格控制

首先對新枕梁原材料進行了多項材料性能檢測及射線探傷，對其化學成分進行了分析，均無問題后，開始進行加工。每項加工工藝完成后按標準進行超聲波探傷或磁粉探傷檢查。

3.2 設(shè)計方案優(yōu)化

改變原枕梁為上蓋板與筋板相連的結(jié)構(gòu)，改為下蓋板與筋板相連的結(jié)構(gòu)，利用ANSYS軟件進行了剛度計算：優(yōu)化后的枕梁剛度比原枕梁剛度更為協(xié)調(diào)。

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

3.3 工藝優(yōu)化

考慮到在加工枕梁上蓋板的折彎時，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，同時對所有的焊接接頭按EN15085標準設(shè)計。在對新枕梁進行焊接之前，對作業(yè)環(huán)境進行了清潔，徹底防護有害灰塵、金屬粉、油脂類以及濕氣，并采用專用檢測模具對物料進行了嚴格的檢查，以保證裝配尺寸，避免未焊滿、余高過高、焊縫有效厚度不足等問題，另外用不銹鋼絲刷打磨待焊部位，清除了氧化膜。在嚴格按照圖紙規(guī)定的焊接方法進行焊接時，也采取了一系列措施保證了焊接質(zhì)量：如在用砂輪機清根和清除焊接缺陷時，保證焊接部分不被油脂等污染；使用等離子進行表面切割，充分去除表面氧化物；注意弧坑部的填補，若出現(xiàn)弧燒必須進行重新焊接。

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

3.4 試驗優(yōu)化

在對新枕梁試件進行靜強度與疲勞試驗期間，多次檢查試驗狀況，保證試驗期間試驗臺及其工裝無問題，無螺絲松動，保證了測試數(shù)據(jù)的正確性。

4 結(jié)語

從材料、設(shè)計、生產(chǎn)工藝、試驗各個方面對枕梁出現(xiàn)裂紋的原因進行分析，并有針對性地對枕梁進行了優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)ANSYS軟件驗證，新枕梁強度比原枕梁大幅降低，滿足相關(guān)強度及疲勞標準要求后進入采購生產(chǎn)制造周期，在關(guān)鍵階段對物料和焊縫進行探傷檢測，保證了新枕梁的生產(chǎn)質(zhì)量。經(jīng)過上述優(yōu)化方案，在靜強度試驗中新枕梁的應(yīng)力值遠小于許用應(yīng)力，且在1000萬次的疲勞試驗未出現(xiàn)裂紋，順利地通過了型式試驗。

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基金項目：鐵道部科技項目（項目編號：2012J003-C）

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