提高铁路客车转向架焊接构架疲劳寿命的研究孙伟但龙孙进发

提高铁路客车转向架焊接构架疲劳寿命的研究孙伟但龙孙进发

孙伟但龙孙进发

中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛266000

【摘要】铁路客车的转向架是客车的承载部件，也是保证铁路客车安全行驶的关键。在转向架构架中常采用的形式是焊接构架，相对于其他形式的构架形式，焊接构架具有更小的自重。但近年来，随着中国铁路的大提速以及载量增加等因素的影响，焊接构架不断的显现出来了许多疲劳寿命方面的问题，因此也对其疲劳寿命方面也有了更高的要求。本文将以铁路客车转向架焊接构架为对象，对它的提高其疲劳寿命进行研究。

【关键词】转向架；焊接构架；疲劳寿命

一.研究背景及其意义

高速化的铁路客车能够极大的满足我国人口出行的压力以及众多货物运输的问题，同时它也是国家现代化的标志。但是高速化的铁路客车能够带来如此众多便利的同时，伴随它的也有安全可靠性问题。随着当今铁路客车速度的上升与运载量的不断增加，导致铁路的动态性能下降，轮轨之间的磨损现象也愈发常见。轮轨与轮轨之间摩擦等现象使它存在出现脱轨的概率，若发生脱轨事故，将会造成非常严重的后果。在之前的铁路客车里面，车转向架构架焊接接头显示不少的疲劳安全的问题，假设列车在工作的时候发生焊缝断裂等现象，这将对列车的行车安全造成非常大的隐患。所以，我们进行提高铁路客车转向架焊接构架疲劳寿命的研究，这对列车的能否安全的运营是巨大的意义。

二．国内外转向架焊接构架疲劳寿命研究现状

在我国高铁走出去的国家战略背景下，世界各国铁路行业的竞争也愈发激烈。各国为提高自身的竞争实力，随之也对转向架焊接构架的疲劳寿命进行了深入研究。此类架构焊接的疲劳可靠性主要集中于对结构寿命的预测方法、焊接接头或承载部件的寿命检测等方面，西方国家已经发展了相对全面的结构体系，而且掌握了非常多的技术成果。我国在西方国家的技术成果下不断进行成果引用、吸收，而且也不断的自己搞研发，创新出更具长疲劳寿命的铁路客车。

三．提高铁路客车转向架焊接构架疲劳寿命的方法

3.1焊缝位置对疲劳强度的影响

最开始出现的铸焊构架，因为2个铸钢横梁对接在2个焊接侧梁内侧的垂直焊缝处应力集中不小，它的疲劳寿命不长，没有进行生产。它的结构模型如图1。随后出现的全焊板形和冷压成形焊接结构的构架全部顺利完成了静、动强度检测,可是疲劳寿命仅约200万次，它的疲劳源全部产生于侧梁底板的横焊缝，由此起码能够显示横焊缝是疲劳寿命长短不同的重要原因。因此大量制造压形构架时，要把3块板对接的底板变成整体底板，见图2。

图1铸焊结构209焊接构架图2压型焊接构架侧梁

尽管把侧梁底板变成整板结构，但由于它和加强梁连结处的2个短横焊缝依旧存在，在做侧梁的不处理及振动时效(VSR)与热处理(TSR)3种环境的疲劳对照检测时，它的疲劳源依旧产生于相同的地方，即侧梁加强梁和底板交焊处的横焊缝外面，而且是沿底板上的横焊缝向内进行，直到断裂。这又一次显示了构架受拉应力较大的底板上，横焊缝是造成疲劳寿命有所不同的重要原因。为了增加侧梁和构架的疲劳强度，改进了加强梁结构，让底板的底面与二侧边全部拥有连续性，这样减少焊缝应力集中与残余应力对疲劳寿命的影响。试验显示，改进的侧梁让底板的疲劳强度由焊缝的疲劳强度值增加至母材的疲劳强度值，大于300多万次疲劳循环且未产生损害。

3.2焊接接头的设计和工艺对疲劳强度的影响

焊接结构中负荷集中的地方应阻止焊接接头。可因为强度需求要设置加强筋板，并且因为生产条件的原因必然存在接头。此时设计、工艺上在接头型式选择和焊缝磨修加工等要有充分的考量。由于接头不合理和整修生产坏存在形成疲劳破坏源因素。在底板的横焊缝完全修整之后，然后对构架的两种环境的疲劳对照试验，显示2个工件的初始开裂寿命存在不小差别，TSR工艺75万次，VSR工艺116万次循环后沿筋板焊缝圆头尖角构成疲劳源，同时慢慢蔓延至母材直到疲劳损坏。它们相同的疲劳源原因是底板上新生的16条加强筋板，筋板存在的地方和端头。

实践显示“焊楼部位的疲劳强度在不小程度上是受焊道表面形状，特别受焊缝边界部分形状左右的”理论是无误的。所以，在加工的时候，怎么改进焊缝边界形状变成了时疲劳强度加强的好方法。

还需检测接头的打磨情况，对构架加强筋板端部进行打磨，应力测试显示，打磨前后的应力集中系数在1.7和1.25上下。焊缝打磨后它的数值减少25%，如此来看，应力集中情况有了不小的缓解。然后通过振动时效处理就能够减少残余应力60-100MPa,平均减少37%。

在客车生产的时候对于应力比较大的点，它的焊缝边界形状国家和企业都有着具体的标准和规范，工艺文件中不仅存在着规定，而且具体的加工人员也会受到系统的培训。肯定对构架的抵御疲劳性能有着不小的促进作用。

3.3振动时效工艺对疲劳寿命的影响

振动处理工艺大量的运用于提升工件精度、稳定工件尺寸等，运用于使煤件疲劳寿命延长并不多。VSR工艺能否取代热处理回火法，要对VSR工艺进行试验研究。

试验时，残余应力测量采取CCY-84型磁测应力仪，对未时效件、热时效件、振动时效件这几种不同情况下构架同一个位置进行残余应力测试。构架疲劳试验在50t脉动疲劳机上操作，在构架两侧的摇枕吊座上同时加载，每测量数据:最大荷载Pmax=275KN,最小荷载Pmin=115KN,平均荷载Pin=195KN,荷载幅值Pa=80KN,循环特性r=0.42。其频率为5Hz,疲劳试验对照结果参见表1、表2。

表1侧梁3种工况对比试验

表2修改后的209构架VSR和TSR对比疲劳试验

从表1的3种工况的疲劳寿命对照试验数据上知道，不处理相对热处理效果更次，相差约10%上下，振动处理相对不处理增加100%至150%，相对热处理增加100%上下的疲劳寿命，增加开裂寿命存在着非常好的效果，证实了振动处理代替热处理法效果不错。

表2对构架的对照疲劳数据进一步显示了振动时效法能够增加构架的疲劳寿命。假设对加强筋板打磨，其开裂寿命与总寿命依旧能增加不少，有利论证了VSR方法对焊接构架疲劳强度的有力面。

根据上述可证明，通过振动处理能够减少残余应力20%-30%上下，显示振动处理是通过减少埠接残余应力，延缓裂纹出现，减少它的打展速度来增加焊接构架的疲劳寿命。YSR法还没有生产的时候，要在车间对焊接构架进行抽样试验，这样确定了振动时效法的最佳环境。

4.结论

有些焊接结构受到动荷载的影响，从疲劳强度的方面来说，必须认真思考和研究接头设计和生产中的工艺，更要做试验寻找增加疲劳强度的方法。

(1）焊接接头是决定疲劳寿命存在的不可忽略的因素，在负荷集中的地方必须避免焊接接头，尤其对横向焊缝有足够的关注。

(2）处在负荷集中处的焊接接头的生产对疲劳寿命有着较大的影响，更要在工艺、生产上要利用好的方法避免缺陷的出现。

(3)利用振动时效法有着持续增加焊按结构的疲劳强度的作用，更可以在节能等方面带来不小的好处。

參考文献

1郑恩贵译,MilanMalt。对焊件振动的认识。Zvoranie,1984,(6):183

2房德馨等，提高海洋平台管接点疲劳寿奇的新技术研究-VSR技术对焊接构件装劳寿命的影响，大连工学院科技论文及报告，8702008

3邢国晨.焊接构架的振动时效工艺研究.长春客车厂科研报告，1989。