某型鐵路客車轉向架中心銷裂紋的原因探討

張 恒，李念嶺

(1.中國鐵路青藏集團公司,青海 西寧 810000；2.青島中車四方軌道車輛有限公司,山東 青島 266111)

某型鐵路客車在運用期間，入庫檢查時發(fā)現(xiàn)轉向架中心銷組成有蓋板鼓起、堵板端部裂紋的情況，如圖1所示。該故障中心銷組成于2003年生產(chǎn)，設計壽命為30年。本文分析了中心銷產(chǎn)生變形和裂紋原因，并根據(jù)分析結果制定了現(xiàn)車處置措施，同時提出了中心銷結構改進建議。

圖1 中心銷組成蓋板鼓起、堵板端部裂紋

1 中心銷結構

該型轉向架中心銷為鋼板焊接的箱形結構[1]，材料為Q345E鋼。中心銷安裝在車體枕梁上，通過單牽引拉桿與轉向架構架連接，用于傳遞車體與轉向架間的縱向載荷[2]，圖2為中心銷的結構圖。

圖2 中心銷結構圖

2 現(xiàn)場調(diào)查及故障中心銷檢測

2.1 故障中心銷拆解檢查及現(xiàn)場調(diào)查

在現(xiàn)場對轉向架的出現(xiàn)裂紋的故障中心銷組成進行拆解檢查，檢查結果顯示：中心銷內(nèi)部有銹蝕痕跡，定位座外周有污泥，堵板母材裂紋的位置在堵板與蓋板2搭接尖角處的應力集中區(qū)域，蓋板1、蓋板2、立板與內(nèi)部補強板均向外側鼓起變形。針對這些現(xiàn)象對車輛進行進一步檢查，發(fā)現(xiàn)車體枕梁空簧安裝座處對應的枕梁上蓋板有銹蝕痕跡，因此懷疑有水自車內(nèi)滲漏至此處。圖3為故障中心銷組成拆解檢查情況。

圖3 故障中心銷組成拆解檢查情況

通過上述檢查，初步分析認為，導致中心銷組成出現(xiàn)變形、裂紋的原因可能有：

(1) 該中心銷組成結構強度不足，車輛運用時，導致中心銷出現(xiàn)變形、裂紋；

(2) 該中心銷組成內(nèi)腔進水，水結冰膨脹導致中心銷組成出現(xiàn)變形、裂紋。

2.2 故障中心銷檢測

2.2.1 尺寸測量

對故障中心銷的關鍵尺寸、變形量進行測量，結果顯示：蓋板2向外側凸起約為16 mm，蓋板1、立板有輕微變形。

2.2.2 磁粉探傷

對該中心銷外部所有焊縫及變形位置進行磁粉探傷檢查[3]，結果顯示：在蓋板1與堵板連接焊縫處有一處裂紋，裂紋長度約為10 mm。

2.2.3 剖開檢查

將故障中心銷組成縱向剖開檢查，結果顯示：內(nèi)腔焊縫、板材有撕裂痕跡，補強板下側內(nèi)腔壁有混雜鐵銹的污泥，板材厚度未見明顯減小，如圖4所示。初步分析認為，該中心銷裂紋變形是由內(nèi)而外受力過大造成的。

圖4 故障中心銷組成縱向剖開情況

2.2.4 化學成分檢驗

對故障中心銷蓋板2的變形位置取樣并進行金相組織、化學成分化驗，化驗結果符合原設計Q345E鋼的材質要求[4]。

3 原因分析

3.1 強度分析

對中心銷組成進行強度分析，分析結果顯示：中心銷在加速度為5g的縱向超常載荷作用下的等效應力為290.30 MPa，小于Q345E鋼的材料屈服強度(345 MPa)；安全系數(shù)為1.2，滿足靜強度設計要求[5]。同時，根據(jù)所繪制疲勞極限圖，中心銷所有單元均位于非打磨焊縫的疲勞極限內(nèi)，疲勞強度滿足設計要求。

3.2 進水水源分析

如圖5所示，枕梁側面的線槽孔、管路孔均采取了密封措施，且狀態(tài)良好、無銹蝕。因此排除線槽孔、管路孔進水可能性。

圖5 車體枕梁上蓋板工藝定位孔

枕梁上蓋板在中心銷、空簧座上方有3處直徑為5 mm的工藝孔(個別工藝孔已用十字槽機螺釘、阻尼漿封堵)，且軟臥車的走廊側有4處M10隔門地彈簧螺紋孔。因此可以推斷，在1位端盥洗室、茶爐室和廁所使用過程中及車輛地板布清潔過程中，水從接水盤、地板縫隙、門檻縫隙、地彈簧蓋板經(jīng)上述工藝孔進入枕梁。圖6、圖7分別為車體漏水工藝孔和車體地彈簧螺紋孔。

圖6 車體漏水工藝孔

圖7 車體地彈簧螺紋孔位置

枕梁內(nèi)腔筋板設有通孔(圖8)，以使枕梁內(nèi)部與中心銷安裝座相連，而水可通過通孔進入枕梁內(nèi)部。枕梁內(nèi)部積水通過定位銷中間孔進入中心銷組成內(nèi)部，然后通過補強板四周倒角進入補強板下方內(nèi)腔。中心銷內(nèi)部水流方向見圖9。

圖8 枕梁內(nèi)腔筋板通孔

圖9 中心銷內(nèi)部水流方向

3.3 結冰膨脹性分析

3.3.1 中心銷內(nèi)部結冰時鋼材所受力分析

1 m3水變成冰后的體積為1.090 6 m3，膨脹前后線性比率為1.029 3，膨脹前后線性增長率為0.029 3，而對于Q345E鋼，在臨界屈服荷載作用下的膨脹前后線性增長率為0.001 67。因此，水變成冰的線膨脹率是鋼材應變的17.54倍，表明中心銷內(nèi)水結冰膨脹有將鋼材脹裂的可能。

3.3.2 中心銷內(nèi)腔均布載荷仿真分析

對中心銷內(nèi)腔施加均布載荷，在施加3 MPa載荷時補強板1發(fā)生屈服，并發(fā)生0.78 mm的形變；繼續(xù)加大應力，至施加8 MPa載荷時，補強板1、蓋板2、蓋板1、立板均發(fā)生屈服，補強板1發(fā)生2.08 mm的形變，蓋板2發(fā)生0.76 mm的形變，蓋板1發(fā)生0.39 mm的形變，立板發(fā)生0.36 mm的形變。圖10和圖11分別為中心銷內(nèi)腔均布載荷示意圖和施加8 MPa載荷時的應力應變圖。

圖10 中心銷內(nèi)腔均布載荷示意圖

圖11 中心銷內(nèi)腔施加8 MPa載荷時的應力應變圖

對故障中心銷進行解剖并測量，測得中心銷變形量由大到小依次為：補強板1、蓋板2、蓋板1、立板，與內(nèi)腔均布載荷仿真得出的規(guī)律一致。由于1 g水結冰時膨脹力約96 MPa，遠大于中心銷仿真時施加的8 MPa，證明了中心銷內(nèi)水結冰可造成變形。

3.4 中心銷內(nèi)部進水、冷凍試驗

對中心銷(檢修合格產(chǎn)品)進行了進水結冰試驗，試驗結果表明，中心銷內(nèi)腔進水結冰可導致中心銷變形。試驗過程如下：

(1) 將中心銷內(nèi)部補強板1內(nèi)部分上下兩部分，內(nèi)腔灌滿水并放入冰柜冷凍12 h。冷凍12 h后，中心銷溫度約-14 ℃，補強板1向上鼓起約20 mm，蓋板2向外凸起約3 mm；

(2) 將中心銷取出化凍，待冰融化成的水完全流入補強板1下部內(nèi)腔后，再次將中心銷放入冰柜冷凍12 h。冷凍12 h后，中心銷溫度約-22 ℃，補強板1向上鼓起約23 mm，蓋板2向外凸起約3 mm；

(3) 再次將中心銷取出化凍，中心銷內(nèi)部冰部分融化后，將補強板1以下內(nèi)腔補水至水面超過補強板1(保證補強板1以下內(nèi)腔水滿)，繼續(xù)放入冰柜冷凍12 h。冰凍12 h后，中心銷溫度約-25.5 ℃，補強板1向上鼓起約26 mm，蓋板2向外凸起約5 mm；

(4) 采用氣割方式將經(jīng)過冰凍試驗的中心銷割開檢查，發(fā)現(xiàn)補強板1向上鼓起約40 mm，變形量較大，并且與立板、蓋板1連接處有撕裂現(xiàn)象，如圖12所示。

圖12 冰凍試驗中心銷內(nèi)部變形情況

3.5 結論

(1) 中心銷組成原設計結構強度滿足使用要求；

(2) 車上水源進入中心銷組成內(nèi)部，經(jīng)過反復結冰、化凍過程，導致中心銷變形，在極端情況下產(chǎn)生裂紋。

4 結構改進及建議

(1) 在不影響中心銷結構強度的情況下，結合車輛運用情況對中心銷進行結構改進。具體改進措施是：底部開排水孔，并定期清理內(nèi)部堵塞物；封堵中心銷上部，阻斷內(nèi)部進水，保證中心銷內(nèi)部少積水，甚至不積水，避免內(nèi)部結冰將中心銷脹裂。

(2) 建議在轉向架箱形結構設計時，針對上述中心銷的故障原因，盡量避免內(nèi)腔上部與外部空氣直接接觸，避免箱體內(nèi)部進水等，將內(nèi)腔設計為封閉形式，如內(nèi)腔上部必須與空氣連通，同時綜合考慮排水引流措施。

(3) 建議在車上設計時重視車上水源(冷凝水、生活用水等)的引流排放設施，使排水點避開車下重要設備及零部件。