搭接焊縫和對接焊縫的抗疲勞性能對比

高曉霞，曹永志，陳鳳艷，趙家明，孫暉東

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司，1.工程師，2.助理工程師；河北 唐山 063035）

唐山軌道客車有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)的某出口客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，經(jīng)一段時(shí)間運(yùn)營后，側(cè)梁與發(fā)電機(jī)吊架之間的搭接焊縫處出現(xiàn)微裂紋，為了解決此問題，本文分別依據(jù)JIS E 4207:2004《Truck frames for railway rolling stock-General rules for design》〔1〕（簡稱JIS4207）和國際焊接協(xié)會（IIW）標(biāo)準(zhǔn)XIII-1539-1996/XV-845-1996:《Fatigue Design of Welded Joints and Compponents》〔2〕（簡稱 IIW 標(biāo)準(zhǔn)），分析論證了將此處的搭接焊縫改為對接焊縫，可提高該部位的疲勞使用壽命。

依據(jù)IIW標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗疲勞性能預(yù)測：通過有限元分析，計(jì)算出兩種形式的焊縫其應(yīng)力的最大變化范圍Δσ，然后根據(jù)IIW標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算疲勞壽命。

依據(jù)JIS4207標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗疲勞性能預(yù)測：通過有限元分析，計(jì)算出兩種形式的焊縫其應(yīng)力幅值的最大值和相應(yīng)的平均應(yīng)力，將兩值置于相應(yīng)材料的應(yīng)力極限圖中，對其結(jié)果進(jìn)行比較。

1 計(jì)算載荷及工況

該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要技術(shù)參數(shù)：軸重17 t，發(fā)電機(jī)質(zhì)量132 kg，構(gòu)架和發(fā)電機(jī)吊架所用鋼板材質(zhì)為Q235。

1.1 計(jì)算載荷 側(cè)梁與發(fā)電機(jī)吊架的連接焊縫處主要載荷為制動載荷和發(fā)電機(jī)懸吊載荷。

1）制動載荷：F=Pstμg

式中：Pst為軸重；

μ為輪軌間的摩擦系數(shù)，取0.25；

g為重力加速度，取9.81m/s2。

計(jì)算得出一個(gè)轉(zhuǎn)向架所受的制動載荷為83.385 kN，一個(gè)轉(zhuǎn)向架裝有8個(gè)制動吊架，則每個(gè)制動吊架上的制動載荷約為10.4 kN。

2）發(fā)電機(jī)懸吊載荷：對發(fā)電機(jī)懸吊載荷的計(jì)算國內(nèi)外均沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在這里引用JIS 4207對電機(jī)懸吊載荷的規(guī)定進(jìn)行補(bǔ)充。發(fā)電機(jī)質(zhì)量P=132 kg。其中：

垂向載荷F=（1±5）Pg=（1±5）×9.81×132=7.8 kN/-5.2 kN；

橫向載荷F=±4 Pg=±4×9.81×132=±5.2 kN；

縱向載荷F=±3 Pg=±3×9.81×132=±3.9 kN。

1.2 計(jì)算工況 針對以上載荷，選取兩種運(yùn)營中極限載荷工況進(jìn)行計(jì)算，具體工況如表1所示。

表1 計(jì)算工況

2 有限元計(jì)算分析

本文分別對側(cè)梁與發(fā)電機(jī)吊架之間的搭接焊縫與對接焊縫的抗疲勞性能進(jìn)行評定，選取局部側(cè)梁與發(fā)電機(jī)吊架作為分析對象建立有限元模型。

2.1 搭接焊縫有限元模型計(jì)算 根據(jù)工況1和工況2載荷作用下的計(jì)算結(jié)果，得到搭接焊縫的應(yīng)力值（見表2）。搭接焊縫有限元模型見圖1。

表2 搭接焊縫的應(yīng)力值

圖1 搭接焊縫有限元模型

2.2 對接焊縫有限元模型計(jì)算 對接焊縫有限元模型見圖2。根據(jù)工況1和工況2載荷作用下的計(jì)算結(jié)果，得到對接焊縫的應(yīng)力值（見表3）。

圖2 對接焊縫有限元模型

表3 對接焊縫的應(yīng)力值

3 兩種焊縫的抗疲勞性能評定

3.1 依據(jù)國際焊接IIW標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定 將兩連接焊縫處的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)與IIW標(biāo)準(zhǔn)中的表3.2-1（Fatigue resistance values for structural details in steelassessed on the basisofnormalstresses－基于標(biāo)稱應(yīng)力的鋼結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度值列表）中提供的結(jié)構(gòu)細(xì)部對比，選擇適合于本結(jié)構(gòu)的橫向承載的搭接焊縫類型和橫向承載的對接焊縫類型。搭接焊縫的Fat值為63，對接焊縫的Fat值為71。

根據(jù)選取的搭接焊縫和對接焊縫的Fat值，由IIW 標(biāo) 準(zhǔn) 中 的 表 4（Constants，constant amplitude fatigue limitand cut-off limits－S－N曲線的常數(shù)C，等幅疲勞極限及截?cái)鄻O限）中選擇相應(yīng)的S-N數(shù)據(jù)。

表4 IIW表4常數(shù)，常幅疲勞極限和截止極限（本文僅選取了fat值為71和63的數(shù)據(jù)） 單位：MPa

疲勞損傷率計(jì)算公式為

為保守起見，分別選取表2、表3中搭接焊縫和對接焊縫應(yīng)力幅值最大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評定，搭接焊縫節(jié)點(diǎn)號為28393；對接焊縫節(jié)點(diǎn)號為168792。依據(jù)上式，得出對接焊縫的疲勞損傷率為0.003，而搭接焊縫的疲勞損傷率為0.38，由此可以得出對接焊縫的抗疲勞性能優(yōu)于搭接焊縫。

3.2 依據(jù)JIS4207標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定 將表2、表3中搭接焊縫與對接焊縫上各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力幅值與其平均應(yīng)力置于Q235鋼材的應(yīng)力極限圖中，得出結(jié)果（見圖3、圖4所示）。從圖中可以看出，在相同的運(yùn)營條件下，搭接焊縫上節(jié)點(diǎn)應(yīng)力幅值最大為36.87MPa，對接焊縫上節(jié)點(diǎn)應(yīng)力幅值最大為16.46MPa，因此對比兩種焊縫，對接焊縫的抗疲勞性能優(yōu)于搭接焊縫。

圖3 搭接焊接的應(yīng)力極限圖

圖4 對接焊縫應(yīng)力極限圖

4 結(jié)束語

本文僅借用IIW標(biāo)準(zhǔn)和JIS 4207標(biāo)準(zhǔn)分別對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁和發(fā)電機(jī)吊架間的搭接焊縫與對接焊縫的抗疲勞性能做了對比，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的對比結(jié)果均表明側(cè)梁和發(fā)電機(jī)吊架之間采用對接焊縫的抗疲勞性能優(yōu)于搭接焊縫。因此，焊接于構(gòu)架上的各部件與構(gòu)架的焊縫采用對接焊縫型式，對于日后的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。目前，針對構(gòu)架上焊接吊架的疲勞評定并沒有專門的標(biāo)準(zhǔn)，建議企業(yè)或鐵道部制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及制造提供計(jì)算或參考依據(jù)，以滿足實(shí)際需要。

〔1〕JIS E 4207:2004《Truck frames for railway rolling stock-General rules for design》。

〔2〕國際焊接協(xié)會（IIW）標(biāo)準(zhǔn)：XIII-1539-1996/XV-845-1996:《Fatigue Design ofWelded Joints and Compponents》。

〔3〕高曉霞，楊軍永，李曉峰，構(gòu)架疲勞損傷評估研究〔J〕.鐵道車輛，2010，48（5）：6-9。

〔4〕安琪，李芾，黃運(yùn)華等，基于JIS標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架疲勞強(qiáng)度評估〔J〕.機(jī)車電傳動，2009，4：26-29。