轉(zhuǎn)向架構(gòu)架轉(zhuǎn)臂座疲勞裂紋分析及改進措施

孫暉東 李志永 張佳宇 李 超 李作良

(中車唐山機車車輛有限公司技術研究中心 河北 唐山 063035)

轉(zhuǎn)向架是軌道車輛的走行機構(gòu)，其穩(wěn)定性和可靠性是軌道車輛運行安全的保證。構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架各零部件的安裝基礎，用于傳遞垂向力、橫向力、牽引力以及制動力，構(gòu)架的疲勞可靠性對車輛安全性具有重大影響[1]。當前對于構(gòu)架疲勞強度的分析方法主要有：有限元仿真計算、臺架疲勞試驗和線路動應力測試[2-4]。

在對某轉(zhuǎn)向架研究項目的構(gòu)架進行臺架疲勞試驗過程中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)臂座出現(xiàn)裂紋，通過分析產(chǎn)生裂紋的原因，從結(jié)構(gòu)和試驗方法等方面入手，提出整改措施，保證了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架順利通過試驗驗證。

1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞試驗方法

1.1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞試驗介紹

該轉(zhuǎn)向架設計軸重為23 t,構(gòu)架采用箱型鋼板焊接的單橫梁H形結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該構(gòu)架的疲勞試驗方法主要依據(jù)美國APTA-PR-M-RP-009-98新造客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞試驗的方式和評估方法進行試驗。對于試驗的載荷大小、循環(huán)方式、試驗評定等方面的控制如表1所示。

1—側(cè)梁；2—橫梁；3—齒輪箱吊座；4—電機安裝座；5—抗蛇行減振器座；6—轉(zhuǎn)臂座；7—踏面制動座；8—輪盤制動座。圖1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)

構(gòu)架疲勞試驗過程將所有的懸掛結(jié)構(gòu)用剛性工裝替代。試驗工裝將載荷或約束施加到實際運營中的確切位置，盡可能模擬懸掛和轉(zhuǎn)向架連接件的作用方式和自由度。構(gòu)架試驗加載情況如圖2所示。

表1 疲勞試驗過程控制

圖2 構(gòu)架疲勞試驗現(xiàn)場

1.2 裂紋的產(chǎn)生

在疲勞試驗前、200萬次、400萬次、600萬次疲勞試驗后的磁粉探傷均未發(fā)現(xiàn)任何裂紋。但是當試驗進行到738萬次時，構(gòu)架定位轉(zhuǎn)臂座上發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋(見圖3)。裂紋起始于定位轉(zhuǎn)臂座的尖角處，并最終貫穿于構(gòu)架側(cè)梁上。

圖3 構(gòu)架定位轉(zhuǎn)臂座裂紋

2 原因分析

2.1 材料本身的性能

構(gòu)架定位轉(zhuǎn)臂座的材料牌號為S355J2，執(zhí)行標準為EN 10025-2。構(gòu)架試驗結(jié)束后，切割有裂紋的定位轉(zhuǎn)臂座進行了斷口形貌觀察、化學成分分析、測試室溫拉伸性能、低溫沖擊性能，從材料本身入手，分析轉(zhuǎn)臂座是否滿足標準要求。

圖4所示為裂紋處顯微形貌，斷口上可以清晰地看到大量平行的疲勞條帶與裂紋擴展方向垂直。證實該斷口為典型疲勞斷口，疲勞條帶密集，且間距很小，說明該疲勞斷口屬于典型高周疲勞斷口。

圖4 裂紋處顯微形貌

化學成分、室溫拉伸性能、低溫沖擊性能檢測結(jié)果表明材料完全滿足標準要求。說明材料本身不存在問題。

2.2 應力集中

構(gòu)架的定位轉(zhuǎn)臂座在運營過程中除了受垂向螺栓預緊力以外，還用于傳遞輪對和構(gòu)架的橫向力和縱向力，是構(gòu)架特別關鍵的承載結(jié)構(gòu)。由圖3可以看到，在裂紋的起始位置處有明顯的尖角，容易產(chǎn)生應力集中，設計和制造過程中均沒有進行任何的倒角處理，可能是產(chǎn)生裂紋的關鍵因素。應力集中是結(jié)構(gòu)疲勞最為薄弱的環(huán)節(jié)，控制了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[5]。

2.3 試驗工裝的影響

構(gòu)架的疲勞試驗將懸掛系統(tǒng)全部由剛性工裝替代，用于模擬輪對與構(gòu)架的作用方式和自由度，期望達到的目標是構(gòu)架一系彈簧座承受垂向載荷、定位轉(zhuǎn)臂座承受橫向和縱向載荷。圖5所示為工裝結(jié)構(gòu)，雖然垂向支撐上設有2個球鉸，假車軸與軸箱工裝之間設計可旋轉(zhuǎn)以替代實際結(jié)構(gòu)中的軸承，但是整體工裝結(jié)構(gòu)的剛度較大，在較大的垂向載荷下假車軸與軸箱工裝的旋轉(zhuǎn)自由度被限制，過渡的約束造成定位轉(zhuǎn)臂座可能會承擔一部分垂向載荷。

另外，實際運營中定位轉(zhuǎn)臂座上安裝有防定位軸脫落的螺栓，但試驗時并未安裝此螺栓。

圖5 試驗約束工裝

3 改進措施

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)過討論，定位轉(zhuǎn)臂座的優(yōu)化主要有兩種方案，一種是采用動車組成熟的轉(zhuǎn)臂座結(jié)構(gòu)，另一種是在現(xiàn)有的轉(zhuǎn)臂座裂紋起始處進行修磨，保證光滑的圓角過渡，兩種方法均可有效減少應力集中?？紤]到修磨轉(zhuǎn)臂座操作簡單方便，故優(yōu)先考慮采用后一種方案(見圖6)。

圖6 轉(zhuǎn)臂座的優(yōu)化方案

3.2 試驗工裝優(yōu)化

為了讓構(gòu)架力的傳遞更符合實際的結(jié)構(gòu)，對垂向支撐工裝、假車軸、轉(zhuǎn)臂工裝進行了改進。將垂向支撐和假車軸分開，由假車軸和轉(zhuǎn)臂工裝組合來傳遞橫向和縱向力，由垂向支撐傳遞垂向力，垂向支撐桿本身的水平剛度有限，基本不會承擔水平力，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 更改后的工裝(整體)

為了保證轉(zhuǎn)臂節(jié)點與轉(zhuǎn)臂座的良好接觸，轉(zhuǎn)臂定位軸的尺寸嚴格按照實際尺寸來加工。同時，增加防脫落螺栓(見圖8)，并施加實際扭矩300 N·m，增大了轉(zhuǎn)臂座整體剛度，轉(zhuǎn)臂座整體受力狀態(tài)更好。

4 改進后驗證

4.1 有限元仿真驗證

由于轉(zhuǎn)臂座裂紋處的特殊結(jié)構(gòu)，選擇應用有限元方法來評估強度。按照構(gòu)架新結(jié)構(gòu)和新工裝結(jié)構(gòu)，建立精細的有限元模型，如圖9所示。

圖8 更改后的工裝(局部)

圖9 有限元模型

對原結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)臂座裂紋處的計算應力進行了對比分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2 原結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)計算應力對比 /MPa

基于有限元仿真分析結(jié)果，應用GOODMAN鋼材疲勞極限圖評估疲勞強度[5-6]，以螺栓預緊力引起的應力為平均應力，以垂向、橫向、縱向動態(tài)載荷引起的應力為應力幅值，更改前后的應力評估狀態(tài)如圖10所示。

圖10 GOODMAN疲勞極限法評估

由表2和圖10可知，與原結(jié)構(gòu)相比，新結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)臂座平均應力明顯減少，垂向螺栓預緊力作用下平均應力減少74 MPa，這是原結(jié)構(gòu)疲勞強度超標的最主要原因。新工裝使轉(zhuǎn)臂座幾乎不再承受垂向載荷，轉(zhuǎn)臂座應力幅值減少了18 MPa，并且橫向、縱向載荷對轉(zhuǎn)臂座的影響有明顯的減小，應力幅值分別減少了7 MPa和4 MPa，工裝的合理改進有效降低了各向載荷對轉(zhuǎn)臂座的影響。

4.2 試驗驗證

將改進結(jié)構(gòu)的新構(gòu)架和新工裝組裝并重新進行1 400萬次疲勞試驗，試驗加載方式與第一次試驗完全相同，試驗過程中和結(jié)束后的磁粉探傷均沒有發(fā)現(xiàn)任何裂紋。

5 結(jié)束語

針對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞試驗過程中轉(zhuǎn)臂座出現(xiàn)裂紋的問題，從材料、結(jié)構(gòu)、試驗工裝等各個環(huán)節(jié)綜合分析出現(xiàn)疲勞裂紋的原因，提出針對性的改進方案，并進行了疲勞強度計算驗證，1 400萬次的疲勞試驗后未出現(xiàn)任何裂紋。該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的研制過程為今后新產(chǎn)品的開發(fā)提供了重要的參考價值。