鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭的疲勞可靠性研究

孫志鵬

摘 要：我國鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)焊接技術(shù)對(duì)我國的鐵路客車行業(yè)及其交通運(yùn)輸行業(yè)起著至關(guān)重要的作用。近幾年來，我國鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接技術(shù)采用的是鋼焊接的結(jié)構(gòu)。鋼的密度小，使用剛焊接能大大降低車輛結(jié)構(gòu)的自重。但是，運(yùn)行速度的提高、載重的增加都會(huì)使轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架承載情況變得很糟糕，鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭存在的焊接缺陷會(huì)導(dǎo)致很嚴(yán)重的車輛安全性能問題，而鐵路客車安全性能方面的問題才是整個(gè)鐵路客車行業(yè)乃至整個(gè)交通運(yùn)輸業(yè)最重要的問題。所以，對(duì)鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭疲勞可靠性的研究就顯得極為緊迫。

關(guān)鍵詞：鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭 疲勞可靠性 研究

中圖分類號(hào)：U270.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）02（a）-0025-02

高速化的鐵路客車正好適應(yīng)如今人們對(duì)交通工具的高要求，高速鐵路也已然成為各國鐵路現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。然而，任何高速的交通工具都有它安全可靠性的問題存在，隨著現(xiàn)如今鐵路客車速度的提高和載貨量的持續(xù)增長，導(dǎo)致鐵路的動(dòng)態(tài)性能下降，輪軌之間的磨損程度問題在日益凸顯。輪軌之間的相互作用可能會(huì)引發(fā)脫軌，一旦脫軌，后果便不堪設(shè)想了。在以往的鐵路客車中，車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭暴露出許多疲勞可靠性的問題，如客車在運(yùn)行過程中出現(xiàn)焊縫斷裂、測(cè)量立板撕裂等問題，嚴(yán)重危機(jī)人們的行車安全。因此，研究鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭的疲勞可靠性，對(duì)保證列車安全是十分重要的。

1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭疲勞可靠性的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近幾年國內(nèi)外對(duì)鐵路客車行業(yè)發(fā)展的競(jìng)爭日益激烈，隨之也都對(duì)鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭的疲勞可靠性有了很深入的研究。這種架構(gòu)焊接的疲勞可靠性主要集中于對(duì)結(jié)構(gòu)壽命的預(yù)測(cè)方法、焊接接頭或承載部件的壽命檢測(cè)等方面，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)形成了比較完善的結(jié)構(gòu)體系，并有了許多研究成果。中國除了對(duì)這些成果進(jìn)行引用、吸收外，也在自主研發(fā)更高速、更安全的客車，尤其對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭疲勞的可靠性進(jìn)行了深入研究。

2 焊接缺陷方面的分析

鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭采用的是鋼焊接結(jié)構(gòu)，鋼焊接結(jié)構(gòu)焊接加工方法的特點(diǎn)決定了它在生產(chǎn)過程中必然會(huì)出現(xiàn)氣孔、斷裂紋、未融合等現(xiàn)象或者焊接處存在各種幾何偏差的可能。

鐵路客車的焊接欠缺可以分為兩類：一類為焊接變形，殘余應(yīng)力；一類為類裂紋欠缺。前者是主要的焊接欠缺，后者發(fā)生的情況較少，但是一旦發(fā)生就會(huì)發(fā)生很嚴(yán)重的后果，這是焊接結(jié)構(gòu)中最危險(xiǎn)的一種情況。宏觀裂紋顯然是不能繼續(xù)使用，焊接結(jié)構(gòu)甚至整個(gè)客車可能會(huì)報(bào)廢，微觀裂紋雖然能堅(jiān)持一段時(shí)間，但是如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，也會(huì)降低疲勞可靠性，這種輕微裂紋在客車行駛過程中一點(diǎn)一點(diǎn)的磨損，極有可能造成更大的安全隱患。針對(duì)這些焊接裂紋，有關(guān)研究人員也進(jìn)行了相關(guān)研究。

2.1 熱彈-塑性有限元法

這是一種測(cè)量焊接變形和殘余應(yīng)力的有效方法，十分復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)可能需要大量的計(jì)算，對(duì)于大型鐵路客車，這種針對(duì)裂紋一個(gè)個(gè)進(jìn)行計(jì)算研究的方法顯然是不符合實(shí)際的，這種方法將跟蹤整個(gè)焊接的過程，它可以計(jì)算焊接過程中每一時(shí)刻的溫度，根據(jù)每個(gè)溫度下客車反應(yīng)的應(yīng)力進(jìn)行累加，最后得出殘余應(yīng)力和最終可能的變形從而估量出焊接接頭的疲勞可靠性。

2.2 焊接收縮力法

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在焊接過程中，金屬會(huì)因高溫而變形進(jìn)而產(chǎn)生焊接裂縫。此時(shí)的變形程度相當(dāng)于遭受到了一個(gè)外加載荷，被稱為焊縫收縮力。鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的自身結(jié)構(gòu)、焊接的技藝、焊接溫度都會(huì)影響焊接收縮力的大小。所以我們可以通過計(jì)算這個(gè)力進(jìn)行估計(jì)在焊接過程中金屬產(chǎn)生變形而造成后果的大小從而避免重大的安全性能方面的隱患，以此提高焊接疲勞可靠性。

2.3 體積收縮法

這種方法假設(shè)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在焊接過程中產(chǎn)生變形的原因是熔化了的金屬在冷卻過程中遇到了熱收縮。研究者通過對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用金屬模型在900°的溫度下進(jìn)行焊接，然后將金屬冷卻至室溫，觀察金屬的反應(yīng)情況，金屬在這種條件下會(huì)發(fā)生收縮變形，將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成數(shù)值記錄在冊(cè)，將得到的模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行分析，金屬熔化的截面區(qū)形狀有助于我們研究焊接技巧，采取相應(yīng)措施改善焊接技巧，可以進(jìn)一步提高鐵路客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭疲勞可靠性。

3 結(jié)語

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是鐵路客車的主要承載部位，它的疲勞強(qiáng)度對(duì)鐵路客車行駛的安全性能影響巨大，其疲勞可靠性也受諸多因素的影響。隨著鐵路客車的速度在不斷提高，承載乘客和貨物的承載量在不斷加大，為了確保鐵路客車在行駛過程中的安全我們需要對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭疲勞可靠性進(jìn)行深入研究，尤其在焊接設(shè)計(jì)階段，我們要充分考慮分析轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)和它焊接成型的特點(diǎn)準(zhǔn)確的對(duì)焊接疲勞可靠性進(jìn)行評(píng)估，準(zhǔn)確的評(píng)估出焊接疲勞可靠性有助于提高鐵路客車的行駛性能和極大解決鐵路客車安全性的問題，對(duì)于我國交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展也是起到了推動(dòng)性的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁紅琴，蔡慧，趙永祥，等.高速客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接接頭疲勞可靠性分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2015（6）：925-929.

[2] 盧耀輝.鐵路客車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架疲勞可靠性研究[D].西南交通大學(xué)，2011.