上海軌道交通1號(hào)線車輛構(gòu)架裂紋產(chǎn)生原因探究

丁亞琦

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司,200235,上?！喂こ處?

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上海軌道交通1號(hào)線車輛構(gòu)架裂紋產(chǎn)生原因探究

丁亞琦

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司,200235,上?！喂こ處?

針對(duì)上海軌道交通1號(hào)線轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁和側(cè)梁連接處出現(xiàn)裂紋的問題,建立了地鐵列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元模型,并對(duì)構(gòu)架靜強(qiáng)度進(jìn)行了仿真計(jì)算,同時(shí)校核了對(duì)接焊縫處的疲勞強(qiáng)度。通過宏觀形貌、化學(xué)成分以及力學(xué)性能分析,找到了該構(gòu)架產(chǎn)生裂紋的具體原因：主要是對(duì)接焊縫處存在未熔合和未焊透的缺陷,導(dǎo)致構(gòu)架產(chǎn)生疲勞裂紋。同時(shí)提出：在構(gòu)架制造及日常維護(hù)時(shí)，應(yīng)增加相應(yīng)的檢查。

地鐵車輛； 構(gòu)架裂紋; 疲勞強(qiáng)度; 理化檢驗(yàn)； 有限元

Author′s address The Vehicle Brench,Shanghai Metro Maintenance Guarantee Co.,Ltd.,200235,Shanghai,China

構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的骨架,主要用于安裝各種零部件和承受并傳遞各種載荷,是轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件之一,在列車運(yùn)營(yíng)中必須保證其質(zhì)量可靠,杜絕裂紋發(fā)生。上海軌道交通1號(hào)線轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是由16MnDR鋼板焊接而成,設(shè)計(jì)壽命為30年,列車運(yùn)行6年左右時(shí),在檢修中發(fā)現(xiàn)側(cè)梁下蓋板與橫梁的對(duì)接焊縫處開裂,至今已發(fā)生多起。因發(fā)現(xiàn)及時(shí),沒有造成嚴(yán)重的后果,為了防止此類故障的再次發(fā)生,作者對(duì)其失效原因進(jìn)行了深入分析。

1 有限元計(jì)算

由于構(gòu)架裂紋發(fā)生在橫梁下蓋板與側(cè)梁下蓋板對(duì)接焊縫位置,且相對(duì)于設(shè)計(jì)壽命而言運(yùn)營(yíng)里程較短,因此校核時(shí)優(yōu)先考慮構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度是否滿足原設(shè)計(jì)要求。通過有限元軟件計(jì)算構(gòu)架在組合運(yùn)營(yíng)工況下的靜強(qiáng)度,驗(yàn)證其疲勞強(qiáng)度是否滿足原設(shè)計(jì)要求,同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證構(gòu)架是否有足夠的安全余量。

1.1 靜強(qiáng)度校核

為了研究裂紋產(chǎn)生的具體原因,采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行仿真計(jì)算,校核其疲勞強(qiáng)度，使其滿足設(shè)計(jì)要求。由于構(gòu)架是由鋼板組焊而成,有限元建模時(shí)采用實(shí)體和殼混合的單元模型,構(gòu)架板材部分采用殼單元?jiǎng)澐?各種鑄造的安裝座采用實(shí)體單元?jiǎng)澐帧卧倲?shù)為54 270個(gè),殼單元44 534個(gè),實(shí)體單元5 794個(gè),彈簧單元3 942個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)48 864個(gè)[1]。構(gòu)架有限元模型如圖1所示。

圖1 構(gòu)架有限元模型

由于該構(gòu)架投入運(yùn)營(yíng)6年左右,表明其靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。因此,選取3種組合工況進(jìn)行仿真計(jì)算,模擬主要運(yùn)營(yíng)載荷工況,并疊加了特殊載荷,包括牽引電機(jī)、減振器、制動(dòng)器等產(chǎn)生的載荷[2]。構(gòu)架計(jì)算工況如表1所示。表中,α為側(cè)滾系數(shù),β為浮沉系數(shù),Fz,l和Fz,r分別為構(gòu)架左側(cè)和右側(cè)所受垂向載荷,Fy為構(gòu)架所受橫向載荷,Fx為構(gòu)架所受縱向載荷。

表1 構(gòu)架計(jì)算工況

通過仿真計(jì)算可知,在3種模擬運(yùn)營(yíng)組合工況下,工況Ⅰ的側(cè)梁與橫梁下蓋板對(duì)接焊縫處的最大應(yīng)力為50.55 MPa,如圖2所示;工況Ⅲ的側(cè)梁與橫梁下蓋板對(duì)接焊縫處的最大應(yīng)力為79.6 MPa,如圖3所示。兩種工況下的最大應(yīng)力均小于16MnDR材料的屈服強(qiáng)度355 MPa,且焊縫靜強(qiáng)度余量比較充足,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 工況Ⅰ焊縫處應(yīng)力云圖

圖3 工況Ⅲ焊縫處應(yīng)力云圖

1.2 疲勞強(qiáng)度校核

由于裂紋發(fā)生在橫梁下蓋板對(duì)接焊縫位置,因此選取構(gòu)架下蓋板對(duì)接焊縫節(jié)點(diǎn),計(jì)算這些節(jié)點(diǎn)在3種不同組合工況下的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力,可得各點(diǎn)的平均應(yīng)力及應(yīng)力幅。將各節(jié)點(diǎn)的平均應(yīng)力以及最大、最小主應(yīng)力放入Goodman曲線進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估,焊縫節(jié)點(diǎn)全部落在對(duì)接焊縫疲勞極限曲線內(nèi),疲勞極限圖顯示焊縫的疲勞安全余量較充足。安全余量較大的為25 MPa,較小的為15 MPa,如圖4和圖5所示。

圖4 工況Ⅰ對(duì)接焊縫Goodman疲勞曲線

圖5 工況Ⅲ對(duì)接焊縫Goodman疲勞曲線

2 理化檢驗(yàn)及分析

通過上述有限元分析可知,構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求,材料強(qiáng)度不是造成構(gòu)架裂紋的主要因素。因此需對(duì)構(gòu)架裂紋位置進(jìn)行取樣分析,通過理化試驗(yàn)進(jìn)一步分析裂紋形成的主要原因。

2.1 宏觀形貌

裂紋發(fā)生在H型構(gòu)架橫梁下蓋板與側(cè)梁下蓋板焊縫部位(見圖6中橢圓及箭頭標(biāo)示部位),裂紋一邊呈弧線狀穿過對(duì)接焊縫擴(kuò)展至側(cè)梁下蓋板母材,另一邊呈弧線狀穿過下方的角焊縫擴(kuò)展至立板母材。

為了分析裂紋發(fā)生的原因,在構(gòu)架開裂部位進(jìn)行取樣,分別取2塊試樣進(jìn)行分析,記為1號(hào)和2號(hào)試樣。在對(duì)1號(hào)試樣進(jìn)行取樣的過程中,位于對(duì)接焊縫下方的墊板自行掉落,從對(duì)接焊縫背面形貌可見兩板對(duì)接處有一臺(tái)階,且焊縫根部有明顯未焊透缺陷,如圖7中箭頭所示。2號(hào)試樣為比對(duì)試樣,在對(duì)接焊縫部位未發(fā)現(xiàn)裂紋,其對(duì)接焊縫橫截面宏觀金相形貌見圖 8 所示,根部沒有未焊透和未熔合現(xiàn)象,焊縫下的墊板已和焊縫焊合在一起。

圖6 焊縫部位裂紋形貌

圖7 1號(hào)試樣對(duì)接焊縫背面

對(duì)1號(hào)試樣斷口進(jìn)行取樣,其試樣斷口形貌如圖9所示,為疲勞斷口形貌,疲勞裂紋源位于對(duì)接焊縫與角焊縫根部的相交處,見箭頭所指位置,亦為焊接殘余應(yīng)力最大處。

2.2 化學(xué)成分

在失效轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上抽取了母材鋼板試樣,進(jìn)行化學(xué)成分分析,分析結(jié)果見表2。由表2可以得出,構(gòu)架鋼板的化學(xué)成分符合《上海地鐵1號(hào)線轉(zhuǎn)向架技術(shù)規(guī)范》中對(duì)16MnDR的技術(shù)要求[3]。

表2 失效轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的化學(xué)成分 %

2.3 力學(xué)性能

在構(gòu)架上靠近裂紋的垂直焊板處,加工試樣在ZWICK Z250型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,并根據(jù)技術(shù)要求進(jìn)行了180°彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果完好,滿足技術(shù)要求規(guī)定。同時(shí)由表3中測(cè)試結(jié)果可以得出,構(gòu)架鋼板的力學(xué)性能符合《上海地鐵1號(hào)線轉(zhuǎn)向架技術(shù)規(guī)范》中對(duì)16MnDR的技術(shù)要求。

表3 力學(xué)性能測(cè)試

2.4 顯微組織

在1號(hào)試樣垂直于對(duì)接焊縫處取其橫截面試樣做宏觀金相檢驗(yàn),如圖10所示。

圖10 對(duì)接焊縫金相形貌

從圖10中箭頭所示位置可以看出焊縫根部未焊透,一側(cè)母材有近三分之一的部分沒有焊合在一起。將試樣置于LEICA DMI5000M型光學(xué)顯微鏡下觀察,橫梁和側(cè)梁下蓋板母材雖然都采取坡口形式,但熔敷金屬?zèng)]有充滿母材之間的空隙,而是留下一個(gè)近似三角形的空洞,且靠中間橫梁蓋板一側(cè)根部有未熔合缺陷,其微觀形貌如圖11所示[4-5]。

圖11 未熔合缺陷微觀形貌

從轉(zhuǎn)向架構(gòu)架鋼板上取樣做金相檢驗(yàn)：晶粒度8～9 級(jí),金相組織為鐵素體+珠光體,呈帶狀組織分布。鋼板微觀組織形貌如圖12所示,符合技術(shù)要求,未發(fā)現(xiàn)有明顯的冶金缺陷。

圖12 鋼板微觀組織形貌

3 分析與討論

通過有限元分析軟件ANSYS計(jì)算可知,構(gòu)架開裂焊縫處的靜強(qiáng)度余量相對(duì)比較充足,橫梁下蓋板對(duì)接焊縫處的最大應(yīng)力為79.6 MPa,其許用應(yīng)力為177.5 MPa,滿足許用應(yīng)力要求。通過Goodman疲勞極限圖對(duì)構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核,焊縫節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力全部落在對(duì)接焊縫疲勞極限曲線內(nèi),且有安全余量。因此,轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均滿足原始設(shè)計(jì)要求。

由轉(zhuǎn)向架構(gòu)架鋼板理化檢驗(yàn)分析結(jié)果可知,其化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合16MnDR鋼板的技術(shù)要求,且未發(fā)現(xiàn)有明顯的冶金缺陷,材料滿足要求。通過檢測(cè)分析可知,該列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的裂紋為疲勞裂紋,裂紋起源于對(duì)接焊縫與角焊縫根部的交界處,在該位置的焊縫處存在較嚴(yán)重的未熔合和未焊透缺陷,這是造成轉(zhuǎn)向架構(gòu)架產(chǎn)生疲勞裂紋的主要原因。

4 結(jié)論和建議

通過對(duì)上海軌道交通1號(hào)線車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的計(jì)算與校核,表明構(gòu)架強(qiáng)度和壽命均滿足設(shè)計(jì)要求,即使在相對(duì)惡劣的工況下,其安全余量也有15 MPa。

由理化檢驗(yàn)可知,產(chǎn)生裂紋的主要原因是對(duì)接焊縫處存在未熔合和未焊透的缺陷,導(dǎo)致構(gòu)架產(chǎn)生疲勞裂紋。為了防止該故障重復(fù)發(fā)生,提出如下建議:

(1) 在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架制造時(shí),對(duì)該部位增加焊縫探傷檢查工作,同時(shí)保證焊接質(zhì)量;

(2) 在日常檢查維護(hù)時(shí),將該部位檢查要求納入到相應(yīng)檢修規(guī)程中,防止漏檢。

[1] 中車株洲電力機(jī)車有限公司.上海地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架對(duì)接焊縫、母材的強(qiáng)度計(jì)算報(bào)告[R].株洲:中車株洲電力機(jī)車有限公司,2014.

[2] 張棟,鐘培道,陶春虎.失效分析[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

[3] 上海地鐵維護(hù)保障有限公司.上海地鐵1號(hào)線轉(zhuǎn)向架技術(shù)規(guī)范[R].上海:上海地鐵維護(hù)保障有限公司,2008.

[4] 中車株洲電力機(jī)車有限公司.理化檢測(cè)報(bào)告[R].株洲:中車株洲電力機(jī)車有限公司,2014.

[5] 沈培德.地鐵Duewag轉(zhuǎn)向架裂紋分析及其改進(jìn)[J].電力機(jī)車與城軌車輛,2003(4):12-16.

On the Causes of Frame Crack in Shanghai Metro Line 1 Vehicles

DING Yaqi

For the cracking problems existing on bogie frame beam and side beam joint in Shanghai metro Line 1 vehicles,a finite element model of subway train bogie frame is established, the bogie frame static strength is simulated and calculated, the butt weld fatigue strength is checked. Through maceoscopic morphology,chimeical composition and mechanical property analysis,the exact causes for the frame cracks are finded, due to the fault fusion and penetration defects in butt weld, fatigue cracks in the framework are prone to occure. Suggestions are put forward to add more strict checks in the manufacture and daily maintenance of bogie frame.

metro vehicle; frame crack; fatigue strength; physical and chemical inspection; finite element

U 270.331+.8

10.16037/j.1007-869x.2017.05.021

2015-06-09)