轨道车辆转向架构架焊接可靠性研究

轨道车辆转向架构架焊接可靠性研究

张召，何岩，曲永强

中车长春轨道客车股份有限公司，吉林省长春市130062，

摘要：轨道车辆一旦脱轨其后果不堪设想，为了对可能发生的事故进行预防，本文把研究的重点放在了轨道车转向架构架焊接可靠性上。转向架构架焊接接头疲劳的问题如果能够得到解决，那么就可以为轨道车辆的安全运行提供有利的保障。

关键字：转向架构架焊接 可靠性 焊缝

一、引言

    当今社会人们对交通工具安全性的要求是越来越高，保证轨道车辆安全行驶变成人们非常关注的焦点，轨道车辆速度在提升、载货量在增加，与之相伴随的是潜在发生事故的风险和危害也在增加。轨道车辆一旦脱轨其后果不堪设想，为了对可能发生的事故进行预防，本文把研究的重点放在了车转向架构架焊接可靠性的问题上。转向架构架焊接接头疲劳的问题如果能够得到解决，那么就可以为轨道车辆的安全运行提供有利的保障。

二、目前国内外转向架构架焊接接头疲劳可靠性的研究现状

    人们已经越来越重视公共安全问题，对车辆转向架构架焊接接头可靠性的研究也越来越关注。对于这类问题的研究，我们关注的焦点在于结构预期寿命的测算方法和焊接部位或受力部分使用寿命的检验。目前，在发达国家已经有了非常完善的研究架构疲劳可靠性的研究体系，而且在现有研究成果的基础上有了一些新突破。国内目前更多的是借鉴、学习外国的先进技术，根据自己的实际情况有选择的研究转向架构架焊接的可靠性问题。

三、对转向架构架焊接的缺陷进行科学分析

    一般车辆转向架构架焊接接头是钢焊接结构，钢焊接结构焊接加工方法有它的特点，它的生产过程会不可避免的产生一些气孔或者裂纹之类的不融合现象。车辆转向架构架焊接大致上有两方面的不足。一种是焊接发生变形留有残余的应力，还有一种是会出现裂纹。后一种情况相对出现的比较少，但是焊接变形时有发生。裂纹出现的次数较少 但危害性极大。如果真的出现了比较明显的裂纹，那么整辆车都是不能再使用了。较小的裂纹能够勉强支撑正常的运作，但是不及时采取措施还是会降低焊接的可靠性。随着时间的推移，如果不采取必要的手段，细小的裂纹也会酿出严重的安全事故。对于裂纹可能造成的不利影响，相关的研究人员一定要做出有针对性的分析研究。

3.1热弹一塑性有限元法

    热弹-塑性有限元法适用于测试焊接变形和残余应力，对于复杂的焊接结构需要复杂的计算，从现实的意义出发，大型铁路客车不可能对每一个裂缝逐一的进行计算。理论上这种方法是严密监控焊接的每一个细节，对温度累加的变化所导致的金属变形进行累加式的计算，这样可以比较精准的估算出变形的多少从而确保焊接疲劳的可靠性。

3.2焊接收缩力法

    转向架构架会因为焊接产生的高温而发生变形，变形不可避免的会产生裂缝，从某种意义上来说焊接相当于一种额外的荷载，我们把这种由于焊接高温而产生的局部受力称之为焊缝收缩力。影响焊接收缩力大小的因素很多。比如：焊接的技术、构架自身的结构特点、焊接时构架的实际温度等。为了避免潜在的安全隐患，我们要提前对金属可能的变形进行合理的估算，这样能够最大限度的提高焊接的可靠性。

3.3体积收缩法

    体积收缩法是采用了先假设后检验的方法，这种方法是先猜测由于熔化金属的冷却导致了最终架构焊接的形状的变化。研究人员采用数据模拟的方法进行实验，让金属模型在极高的温度下（900摄氏度）进行焊接，之后立即让其冷却，等金融的温度和室温齐平再仔细观察金属的变化情况。通过观察发现，金属的确收缩改变了形状。工作人员把实验结果转换为模拟数据，对保留下来的数据和最终金属冷却后的形状进行分析，帮助施工人员优化焊接技术，这样可以间接的提升车辆转向架构架焊接的可靠性。

四、提升轨道车辆转向架构架焊接可靠性的建议

4.1注意焊缝位置对疲劳强度的影响 

    特别要注意横向焊缝，避免焊接接头承受太多的集中负荷。原先的铸焊构架受到的外部应力太大，这导致其寿命大大缩短，无法提供生产。虽然之后有所改进，但是也只能勉强完成两百万次的疲劳强度检测，究其原因，就是来自于侧梁底板处的焊缝是一个有待解决的疲劳源。横焊缝是决定疲劳寿命的影响因素。所以在大量制造压形构架的过程中，要整合三块底板为一个整体，把侧梁底板变成整板结构，由于与加强梁依然有两处短横焊缝，所以在检测疲劳程度时疲劳源还是产生于相同的位置。疲劳源还是在横焊缝（侧梁加强梁与底板交焊处）的外侧。如果出现裂缝，则会沿着横焊缝不断恶化。这说明横焊缝是左右疲劳程度的关键因素。应该采取措施增强侧梁和构架的强度，同时改良加强梁结构，使底板两侧与底部互相连贯。这样能大大削弱残余应力和焊缝过于集中的应力对构架的破坏。经过实验可知，通过改良的侧梁疲劳强度大大提高，高于三百万次的疲劳循环而没有遭到损坏。

4.2优化焊接接头的设计    

    焊接接头的疲劳源对构件寿命有极大的影响，在平时的生产要有效规避这些缺陷。应该避免在焊接接口处存在受力的情况。如果有需要，可以增设加强筋板。施工人员要充分考虑到接头类型，谨慎选择正确的型式，同时对焊缝处要认真加工。如果接头不合适或者磨修质量不够高，那么会形成新的疲劳源。当底板完成修整，经常会发现其工件在不同环境下会形成新的疲劳源，并且这种疲劳会延伸至母材导致最终损坏。仔细观察研究后发现，疲劳源一般都存在于加强筋板和其端头处。在加工时改进焊缝形状是提高疲劳强度的好办法。另外，需要对接头和构架加强筋板进行打磨。通过对焊缝处认真的打磨，可以有效提高四分之一的抗疲劳强度。之后经过振动时效处理，其残存的应力也会消除四成。针对车辆生产时构件承受应力的情况，各企业是对焊缝的形状有明确的统一标准的，工作人员受到专业的培训，相信这些措施一定能够加强构架的抗疲劳能力。

五、结语

    轨道车辆要想安全的行驶，转向架构架焊接部位的可靠性是一个非常重要的关键，此部件的可靠性对轨道车辆的安全性有重大影响。随着生产力的发展、科技水平的不断进步轨道车辆的承载能力是在不断提高。车越来越重、速度也越来越快，安全隐患也是越来越让人担心。随着对安全问题的进一步探讨，研究人员把注意力转移到了对转向架构架焊接接头疲劳可靠性问题上来，力求在每一个阶段都要杜绝安全隐患，尤其是在焊接设计的阶段，我们要依次对转向架构架的基本结构、焊接最后的形状、焊接的可靠性进行细致的分析。把焊接的可靠性问题解决好了，就是极大的降低了轨道车辆发生交通事故的风险，这对于提高我国交通运输工具的安全起到了积极的促进作用。

参考文献

【1】《电力机车检修》中国铁道出版社，莫坚主编，2010年出版

【2】《电力机车控制》·中国铁道出版社，华平主编，2003年出版

【3】卢耀辉．铁路客车转向架焊接构架疲劳可靠性研究［ D ]．西

南交通大学，2011.