地鐵列車轉向架關鍵部位分析

馮勇攀

摘要：本文通過裂紋數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析呈現(xiàn)故障頻繁部位，強度校核研究評定關鍵受力部位，動態(tài)測試分析確定振動超限及動應力集中部位，并以實際運營情況為導向，綜合評估后確認轉向架關鍵部位。對關鍵部位進行標記，納入日常檢修規(guī)程進行重點檢查，提升檢修效率，保障運營安全。

關鍵詞：轉向架;關鍵;效率

轉向架是地鐵列車最重要的部件之一，轉向架的安全運行是地鐵列車實現(xiàn)安全運營的必要條件。長期以來，由于設計、制造缺陷及線路運營狀況惡化的原因，轉向架部件（非緊固件）裂紋故障日益嚴重。為防止裂紋故障造成重大安全事故，運營企業(yè)投入大量資源對轉向架進行日常檢修，保障安全。然而，由于轉向架結構復雜、檢修任務重及檢修人員技能差異等因素的影響，轉向架裂紋時常未能及時處理并繼續(xù)上線運營，或者出現(xiàn)嚴重開裂甚至斷裂故障后才被發(fā)現(xiàn)，正線掉物事件時有發(fā)生，檢修效率低并存在嚴重安全隱患。

本文通過裂紋數(shù)據(jù)統(tǒng)計呈現(xiàn)故障頻繁部位，強度校核研究評定關鍵受力部位，動態(tài)測試分析確定振動超限及動應力集中部位，并以實際運營情況為導向，綜合評估后確認轉向架關鍵部位。對關鍵部位進行標記，納入日常檢修規(guī)程進行重點檢查，有效克服轉向架結構復雜、檢修任務重及檢修人員技能差異等因素的影響，提升檢修效率，保障運營安全。

本文的分析案列是兩種國內(nèi)普遍使用的80km/h地鐵列車轉向架，一是中車株洲電力機車有限公司ZMA080型轉向架，二是中車長春軌道客車股份有限公司CW4000型轉向架。數(shù)據(jù)統(tǒng)計時間段2010年-2016年，2017-2018年陸續(xù)完成標記工作，跟蹤分析至今運用情況良好。詳細如下：

一、裂紋數(shù)據(jù)統(tǒng)計

本次統(tǒng)計的裂紋為探傷和日常檢修發(fā)現(xiàn)的裂紋。探傷包括架大修和日常周期探傷，發(fā)現(xiàn)裂紋占總數(shù)85%以上。目前轉向架部件探傷方法普遍使用超聲波探傷、磁粉探傷及滲透探傷，以上三種探傷方法可對裂紋進行準確的定性檢測^[1]。

統(tǒng)計的裂紋數(shù)據(jù)共274處，裂紋長度范圍13-100mm，分布于轉向架七大部件14個部位。根據(jù)統(tǒng)計的裂紋次數(shù)規(guī)律，ZMA080型轉向架裂紋頻繁部位集中于信號天線支座、支架焊縫，構架橫側梁焊縫、齒輪箱吊座焊縫等;CW4000型轉向架集中于信號天線支座、支架焊縫，構架側梁弧形部位焊縫、電機安裝座，軸箱箱體一系簧安裝座等。

二、強度校核研究

本次研究收集強度校核報告共36份。強度校核普遍通過ANSYS或ABAQUS有限元分析軟件建立有限元模型，按照UIC615-4標準輸入工況計算各點應力值，根據(jù)應力值進行靜強度和疲勞強度校核。

報告中靜強度校核標準：對于超常工況下，各點計算應力均不得大于材料的屈服強度極限。實際就是按照傳統(tǒng)安全系數(shù)法進行校核，屈服強度極限與計算應力比值稱為安全系數(shù)，安全系數(shù)≥1視為安全。然而，安全系數(shù)的值難以確定，并且不能評定部件的安全性有多大程度的保證。同時，按照傳統(tǒng)安全系數(shù)法設計出的部件其壽命周期內(nèi)仍有大量失效，第一節(jié)中裂紋統(tǒng)計可體現(xiàn)。

若從部件設計角度分析，以概率論為理論基礎的結構可靠性設計方法比傳統(tǒng)的安全系數(shù)法更為安全，能很好的保證部件的可靠性和質(zhì)量^[2]。因此，根據(jù)結構可靠性設計方法，結合轉向架部件結構的復雜性，應力和強度分布較為離散，安全系數(shù)綜合上浮至1.6，有效提升可靠性，即靜強度校核中安全系數(shù)小于1.6的部位可評定為靜強度關鍵受力部位。

疲勞強度校核標準：計算出的各點平均應力、應力最大及最小值按Goodman 疲勞極限圖進行評定。疲勞強度校核中極限臨界點所在部位可評定疲勞強度關鍵受力部位。根據(jù)上述取值方式，結合疲勞強度校核是模擬正常運營工況下進行的，因此安全系數(shù)綜合上浮至1.2即可。

三、動態(tài)測試分析

動態(tài)測試主要是對頻繁發(fā)生裂紋故障的部位或者安裝頻繁發(fā)生故障部件（如牽引電機）的部位進行的振動加速度和動應力測試，是對故障原因查找與確認，以及對強度校核的驗證。由于現(xiàn)場條件的限制，測試的部位具有局限性，主要集中在信號天線支座支架、構架及軸箱等部件。

本次分析主要以青島四方車輛研究所有限公司、鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心及西南交通大學的現(xiàn)場動態(tài)測試為依據(jù)。三家單位測試所采用的測試設備、系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理方法均有不同，但均遵循較高的標準，測試內(nèi)容大同小異。因此，綜合三家單位的測試結果可準確的反應實際運營情況。

根據(jù)轉向架部件技術資料及相關標準^[3]，振動加速度極限綜合取值（g=9.81m/s²）：信號天線支座支架不應大于垂19g橫16 g縱13g，電機安裝座不應大于垂6g橫5g縱4g，齒輪箱吊座不應大于垂11g橫11 g縱7 g，軸箱不應大于垂60g橫25g縱25g。若實際測試值超過極限值，則該部位評為振動超限部位，并作為裂紋擴散速度評估依據(jù)。

本節(jié)動應力疲勞校核標準與第二節(jié)中疲勞強度校核標準一致，不同是本節(jié)動應力數(shù)據(jù)是實際測量數(shù)據(jù)。疲勞強度校核中極限臨界點所在部位可評定為動應力集中部位，安全系數(shù)綜合上浮至1.3（考慮實際誤差提升安全系數(shù)標準）。

四、綜合評估

綜上分析得出的結果，裂紋故障頻繁部位、強度校核關鍵受力部位、動態(tài)測試振動超限及動應力集中部位基本一致但并不完全一致，這是理論和實際差距的體現(xiàn)，也是不可避免的理論誤差。因此，綜合評估并不能均衡的衡量三方面的因素。

基于三方面因素的影響，結合裂紋擴散速度及斷裂可能性，以實際運營情況為導向，確定以下評分標準進行關鍵部位評估：

（一）裂紋評估得分：裂紋次數(shù)×0.2;

（二）動態(tài)測試評估得分：振動超限部位+0.25、動應力集中部位+0.25;單項未測試以另外一項測試結果為準，可累加;兩項未測試，則以強度校核評估得分為準;

（三）強度校核評估得分：靜強度關鍵受力部位+0.2、疲勞強度關鍵受力部位+0.2;不與動態(tài)測試累加評分，以動態(tài)測試評分為優(yōu)先;單項未校核以另外一項校核結果為準，雙項未校核及動態(tài)未測試以裂紋評估得分為準，可累加;

（四）裂紋擴散速度評估得分：迅速+0.4、中等+0.1;

（五）斷裂可能性評估得分：很可能+0.6、比較可能+0.3、不太可能+0.1;

若五項得分相加的總得分≥1，則評估為關鍵部位。通過計算，確定以下20處部位為轉向架關鍵部位，詳見表1。

通過對關鍵部位進行標記，納入日常檢修規(guī)程進行重點檢查，部分現(xiàn)場標記詳見圖1。其中信號天線支座、支架由于所有焊縫判定為關鍵部位，無需標記重點檢查;輪對踏面無需標記重點檢查。

五、結論

本次關鍵部位分析對深圳地鐵80km/h轉向架檢修有重要的意義，提升檢修效率，有效保障運營安全。目前，已使用同樣的分析方法評估120km/h轉向架關鍵部位，全面提升效率。并且，對于新建線路及增購列車同類轉向架，已要求廠家出廠時按同樣要求進行標記。

同時，分析還對以下三個方面工作產(chǎn)生積極意義：有助于轉向架部件故障自動檢測技術的準確應用;驗證目前無損探傷部位有效性，同時為新增的預防性探傷提供依據(jù);為智慧運維項目的推行提供強有力的支持。

參考文獻

[1] 周樂，張志文.無損檢測及其新技術[J].重慶工學院學報，2006（08）：46-48.

[2] 劉玉娟.結構可靠性設計與安全系數(shù)法的分析與比較[J].現(xiàn)代雷達，2015，37（01）：74-77.

[3] EN13749-2005、IEC61373-2010

（作者單位：深圳市地鐵集團有限公司運營總部）