帶缺陷動(dòng)車底部懸掛控制臺(tái)剩余強(qiáng)度分析

吳超云，徐立立，杜勝杰，李煥

（廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司，廣州 510656）

前言

設(shè)備艙緊固件是動(dòng)車設(shè)備艙一個(gè)關(guān)鍵部件，在保持設(shè)備艙外形、支撐設(shè)備艙托起懸掛設(shè)備方面起著關(guān)鍵作用，其穩(wěn)固性、可靠性是動(dòng)車安全運(yùn)營的一個(gè)非常重要的因素[1-3]。設(shè)備艙底板由于其安裝的位置，既要承受由于列車運(yùn)行過程中會(huì)車、進(jìn)出隧道等氣動(dòng)載荷的影響，同時(shí)還要承受由于輪軌相互作用等振動(dòng)沖擊引起的多重力矩載荷，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)破裂，以及長時(shí)間的疲勞損傷，尤其是吊裝部件出現(xiàn)不同形式的缺陷時(shí)，如凹坑，腐蝕等，是否對(duì)控制臺(tái)的強(qiáng)度帶來影響，會(huì)不會(huì)造成行車安全，目前還未有明確的定論。

目前，時(shí)速300 km以上的動(dòng)車組已經(jīng)相繼進(jìn)入五級(jí)檢修，檢修時(shí)對(duì)于有缺陷的部件是否更換缺乏科學(xué)的依據(jù)，因此有必要研究在運(yùn)行一定里程后控制臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特性及耐久性，評(píng)估其剩余的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并與新的樣品進(jìn)行強(qiáng)度分析比較，確定五級(jí)修設(shè)備艙緊固件當(dāng)前的強(qiáng)度狀態(tài)，確定判廢標(biāo)準(zhǔn)，保障車輛安全運(yùn)行[4-6]。同時(shí)，進(jìn)而從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝、檢修方法，找出設(shè)備艙緊固件強(qiáng)度下降的解決措施，提高緊固件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、預(yù)防緊固件失效，進(jìn)而導(dǎo)致事故。

1 完好控制臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

控制臺(tái)實(shí)車裝配圖，構(gòu)建其仿真應(yīng)力分布熱圖，如圖1所示。

從圖1可以看出，其應(yīng)力主要集中在腰部、螺紋口、底部邊角處周圍。根據(jù)應(yīng)力的分布進(jìn)行取樣，其取樣位置包括應(yīng)力集中及非應(yīng)力集中位置，如圖2所示，并對(duì)樣品進(jìn)行拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖1 控制臺(tái)的實(shí)車裝配圖及仿真分析

圖2 控制臺(tái)取樣位置示意圖

圖3 控制臺(tái)拉伸強(qiáng)度對(duì)比圖

為便于識(shí)別，對(duì)新品、修程為240萬公里和修程為480萬公里樣品，按圖3標(biāo)識(shí)位置進(jìn)行切片試樣，其樣品編號(hào)規(guī)則如表1所示。

表1 取樣樣品編號(hào)規(guī)則表

其強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果匯總?cè)鐖D3所示從位置來看，非集中區(qū)域的6位置拉伸強(qiáng)度相對(duì)較大，而梯形腰線3和頂邊孔邊緣5位置拉伸強(qiáng)度相對(duì)較小，仿真分析結(jié)果相一致。

從運(yùn)行里程來看，修程240萬公里后拉伸強(qiáng)度基本無變化，修程480萬公里略有下降，由于樣本的差異性，不能確認(rèn)是否由于運(yùn)行里程造成的強(qiáng)度下降。但是，480萬公里運(yùn)行后的控制臺(tái)最低拉伸強(qiáng)度達(dá)到290 MPa。

取樣分析顯示的結(jié)果按照控制臺(tái)的服役狀態(tài)下受到的最大應(yīng)力為σc=109.3 MPa，按照拉伸試驗(yàn)得到的控制臺(tái)的舊件屈服強(qiáng)度最小為245 MPa，170 mm 控制臺(tái)的舊件屈服強(qiáng)度最小為290 MPa。仍滿足《鐵路應(yīng)用—鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求》[7-9]允用應(yīng)力對(duì)計(jì)算應(yīng)力的比率將大于或等于S1。

式中：

R—材料屈服應(yīng)力（Rel）或0.2 %彈性應(yīng)力，單位為N/mm2；

σc—計(jì)算應(yīng)力，單位為N/mm2。

利用有限元分析工具對(duì)不同載荷量級(jí)狀態(tài)下計(jì)算得到了應(yīng)力最大值，并且計(jì)算了相應(yīng)的R/σc值，如表2所示，顯示了R/σc值不斷下降。

表2 控制臺(tái)不同載荷狀態(tài)下的R/σc

可見，在正常的1 500 kg的配重下，運(yùn)行五級(jí)修后不帶缺陷的控制臺(tái)能夠滿足安全系數(shù)1.5的要求。同時(shí)，為保證產(chǎn)品1.5的安全系數(shù)，動(dòng)車組控制臺(tái)建議配重不超過2 000 kg。

2 帶缺陷動(dòng)車組控制臺(tái)的剩余強(qiáng)度評(píng)估

2.1 控制臺(tái)缺陷形式收集

控制臺(tái)主要缺陷形式為兩類：腐蝕刻薄和沖擊凹坑，收集不同缺陷形式并建立帶缺陷的控制臺(tái)模型，如圖4～圖6所示。

1）控制臺(tái)底部螺紋孔發(fā)生腐蝕刻薄，腐蝕厚度分別設(shè)置為5 mm及10 mm，如圖4所示。

圖4 控制臺(tái)缺陷形式I

2）控制臺(tái)梯形腰外部發(fā)生沖擊凹坑，沖擊凹坑深度分別設(shè)置為5 mm、20 mm、30 mm及40 mm，如圖5所示。

圖5 控制臺(tái)缺陷形式II

3）控制臺(tái)梯形腰內(nèi)部發(fā)生沖擊凹坑，沖擊凹坑深度分別設(shè)置為0.5 mm、1 mm及2 mm，如圖6所示。

圖6 控制臺(tái)缺陷形式III

2.2 帶缺陷控制臺(tái)剩余強(qiáng)度評(píng)估

2.2.1 控制臺(tái)缺陷形式I剩余強(qiáng)度

控制臺(tái)缺陷形式I表現(xiàn)為底部螺紋孔發(fā)生腐蝕刻薄，腐蝕厚度分別為5 mm及10 mm，載荷工況為2 000 kg，分別進(jìn)行不同腐蝕厚度下控制臺(tái)剩余強(qiáng)度計(jì)算，表3給出了不同腐蝕厚度下控制臺(tái)最大計(jì)算應(yīng)力值。

表3 控制臺(tái)缺陷形式I不同腐蝕厚度下最大計(jì)算應(yīng)力值 （MPa）

控制臺(tái)缺陷形式I下的應(yīng)力集中區(qū)為梯形腰內(nèi)側(cè)。從表3可以看出，隨著底部螺紋孔腐蝕厚度的增加，控制臺(tái)最大計(jì)算應(yīng)力相差不大，表明該缺陷形式下最大計(jì)算應(yīng)力對(duì)底部螺紋孔腐蝕程度不敏感。當(dāng)螺紋孔發(fā)生腐蝕刻薄后，要重點(diǎn)關(guān)注腐蝕后的螺紋孔與螺栓間的裝配關(guān)系，防止控制臺(tái)與所連接的結(jié)構(gòu)分離，必要時(shí)，需要對(duì)螺栓重新進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2.2.2 控制臺(tái)缺陷形式II剩余強(qiáng)度

控制臺(tái)缺陷形式II表現(xiàn)為梯形腰外部處的沖擊凹坑，凹坑深度分別設(shè)置為5 mm、20 mm、30 mm及40 mm（梯形腰已打通），載荷工況為2 000 kg，分別進(jìn)行不同沖擊凹坑深度下控制臺(tái)剩余強(qiáng)度計(jì)算，表4給出了不同沖擊凹坑深度下控制臺(tái)最大計(jì)算應(yīng)力值。

控制臺(tái)缺陷形式II下的應(yīng)力集中區(qū)仍為梯形腰內(nèi)側(cè)。從表4可以看出，隨著沖擊凹坑深度的增加，控制臺(tái)最大計(jì)算應(yīng)力也逐漸增加；當(dāng)凹坑深度穿通梯形腰時(shí)，控制臺(tái)最大計(jì)算應(yīng)力出現(xiàn)劇增。

表4 控制臺(tái)缺陷形式II不同沖擊凹坑深度下最大計(jì)算應(yīng)力值（MPa）

2.2.3 控制臺(tái)缺陷形式III剩余強(qiáng)度

控制臺(tái)缺陷形式III表現(xiàn)為梯形腰內(nèi)部處的沖擊凹坑，凹坑深度分別設(shè)置為0.5 mm、1 mm及2 mm，載荷工況為2 000 kg，建立缺陷形式III下的有限元模型，分別進(jìn)行不同凹坑深度下控制臺(tái)剩余強(qiáng)度計(jì)算，表5給出了不同凹坑深度下控制臺(tái)最大計(jì)算應(yīng)力值。

控制臺(tái)缺陷形式III下的應(yīng)力集中區(qū)為梯形腰內(nèi)側(cè)缺陷發(fā)生區(qū)。從表5可以看出，隨著凹坑深度的增加，最大計(jì)算應(yīng)力也逐漸增加。

表5 控制臺(tái)缺陷形式III不同沖擊凹坑下最大計(jì)算應(yīng)力值（MPa）

綜上所述，同等載荷工況下，控制臺(tái)缺陷形式III下的最大計(jì)算應(yīng)力大于其他缺陷形式，這主要由于控制臺(tái)應(yīng)力集中區(qū)正好位于梯形腰內(nèi)側(cè)。因此，當(dāng)缺陷出現(xiàn)在應(yīng)力集中區(qū)時(shí)， 控制臺(tái)的最大計(jì)算應(yīng)力增加越明顯，結(jié)構(gòu)力學(xué)性能下降越顯著，安全裕度降低。除此之外，當(dāng)螺紋孔處發(fā)生腐蝕時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注螺紋孔與螺栓間的裝配關(guān)系，必要時(shí)，需要對(duì)螺栓強(qiáng)度重新進(jìn)行校核以保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。

2.2.4 帶缺陷控制臺(tái)安全系數(shù)評(píng)估

根據(jù)《鐵路應(yīng)用—鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求》計(jì)算相應(yīng)的R/σc值，控制臺(tái)缺陷形式I下的R/σc值，如表6所示。

從表6可以看出，控制臺(tái)缺陷形式I下，隨著底部螺紋孔腐蝕厚度的增加，控制臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)相差不大；當(dāng)螺紋孔腐蝕厚度（10 mm）達(dá)到整個(gè)底部板厚一半時(shí)，雖然控制臺(tái)的強(qiáng)度安全系數(shù)仍滿足BSEN-12663-2000標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)1.5的要求，但此時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注腐蝕后的螺紋孔與螺栓間的裝配關(guān)系，防止相連接的結(jié)構(gòu)件分離，必要時(shí)，需要對(duì)螺栓重新進(jìn)行強(qiáng)度校核。

表6 控制臺(tái)缺陷形式I不同腐蝕厚度下的R/σc

從表7可以看出，控制臺(tái)缺陷形式II下，隨著沖擊凹坑深度的增加，控制臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)下降。當(dāng)梯形腰外部沖擊凹坑深度達(dá)到40 mm時(shí)，控制臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)出現(xiàn)驟降，無法夠滿足BS-EN-12663-2000標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)1.5的要求。

表7 控制臺(tái)缺陷形式II不同沖擊凹坑深度下的R/σc

從表8可以看出，控制臺(tái)缺陷形式III下，隨著沖擊凹坑深度的增加，控制臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)下降較為明顯，表明該缺陷形式下，標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)對(duì)梯形腰內(nèi)部倒角處的缺陷較為敏感；當(dāng)沖擊凹坑深度達(dá)到2 mm時(shí)，無法滿足BS-EN-12663-2000標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)1.5的要求。

表8 控制臺(tái)缺陷形式III不同沖擊凹坑深度下的R/σc

需要注意的是，當(dāng)螺紋孔發(fā)生腐蝕刻薄后，要重點(diǎn)關(guān)注腐蝕后的螺紋孔與螺栓間的裝配關(guān)系，必要時(shí)，需要對(duì)螺栓重 新進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3 結(jié)論

1）對(duì)于無缺陷的控制臺(tái)樣件，在運(yùn)行240萬公里后，樣件的強(qiáng)度基本無變化，480萬公里后，強(qiáng)度略有下降，但均在安全系數(shù)1.5的范圍內(nèi)，體現(xiàn)了樣件有較大的設(shè)計(jì)余量。

2）同等載荷工況下，控制臺(tái)缺陷形式III下的最小安全系數(shù)小于其他缺陷形式且應(yīng)力極限強(qiáng)度大于其他缺陷形式，這主要由于控制臺(tái)應(yīng)力集中區(qū)正好位于梯形腰內(nèi)側(cè)。因此，當(dāng)缺陷出現(xiàn)在梯形腰內(nèi)側(cè)，控制臺(tái)最小安全系數(shù)最小，耐久極限強(qiáng)度最大，結(jié)構(gòu)力學(xué)性能下降顯著，安全裕度降低，在周期交變載荷作用下，結(jié)構(gòu)容易發(fā)生失效。

3）若控制臺(tái)缺陷未出現(xiàn)在應(yīng)力集中區(qū)，控制臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)對(duì)缺陷形式不敏感，當(dāng)外部梯形腰沖擊凹坑深度達(dá)到40 mm時(shí)，無法滿足BS-EN-12663-2000標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)1.5的要求。