對轉(zhuǎn)８Ｇ、轉(zhuǎn)８ＡＧ原型交叉桿疲勞裂紋問題的研究

摘要：通過對轉(zhuǎn)8G、轉(zhuǎn)8AG型轉(zhuǎn)向架交叉桿疲勞裂紋的原因分析，闡明如何使交叉桿更加安全可靠及如何延長交叉桿的使用壽命。

關(guān)鍵詞：交叉桿；裂紋

2002年3月份以來，運(yùn)用中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)8G、 轉(zhuǎn)8AG型轉(zhuǎn)向架交叉支撐裝置非刮碰而產(chǎn)生裂紋故障253起（裂紋部位及形式見圖（1），約占裝車交叉支撐裝置總數(shù)的0.55%（統(tǒng)計(jì)到5月15日止）。

1 裂紋斷口分析

對裂紋部位斷口分析表明，裂紋基本都發(fā)生在上、下蓋板與定位座之間的縱向焊縫的收弧處。經(jīng)對裂紋斷口在掃描電鏡下觀察，裂紋源位于縱向焊縫的收弧端，可明顯看到裂紋向兩側(cè)擴(kuò)展的跡象。經(jīng)對蓋板未裂的焊趾取樣，采用逐層磨削進(jìn)行金相分析，也發(fā)現(xiàn)在收弧端存在原始裂紋。

經(jīng)分析研究認(rèn)為：焊縫收弧處存在原始裂紋，在交變載荷下形成宏觀裂紋。

2 裂紋原因分析

2.1 設(shè)計(jì)原因

(a)現(xiàn)有疲勞試驗(yàn)條件還不能完全反映交叉支撐裝置在運(yùn)用、制造中的受力狀況，其中包括在二、三級線路上由線路不平順造成交叉支撐裝置垂向沖擊和扭轉(zhuǎn)工況以及因制造偏差造成交叉桿在組裝中的別勁等。這就意味著，原先制定的考核交叉桿靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的工況，需要修訂改進(jìn)。修訂時(shí)，應(yīng)從分考慮不同線路、車輛制造和組裝中的最不利的因素。

（b）蓋板結(jié)構(gòu)本身存在薄弱部位，板邊距定位座一側(cè)太近，一旦焊縫收弧處存在裂紋源，在交變載荷作用下，就容易在該薄弱部位擴(kuò)展。同時(shí)，定位座的結(jié)構(gòu)型式和焊縫的布置也不盡合理，容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

2.2 組裝制造原因

（a）焊縫處理

轉(zhuǎn)8G、轉(zhuǎn)8AG型轉(zhuǎn)向架交叉桿定位座與蓋板的連接縱焊縫，其收弧端容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，加上在該收弧端產(chǎn)生咬肉、夾渣和未焊透等缺陷，因此雖然設(shè)計(jì)圖樣和技術(shù)條件要求對焊縫及其焊趾進(jìn)行處理以消除原始缺陷，但在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)時(shí)處理不到位。

(b)制造偏差

交叉支撐裝置的設(shè)計(jì)圖樣上，規(guī)定了交叉桿的直線度和尺寸公差，但在實(shí)際制造時(shí)，還存在位于對角線上的兩根桿不在一直線上、兩法蘭端面不平行、同側(cè)兩交叉桿端頭中心距離與側(cè)架兩支撐座中心距離不一致等現(xiàn)象。其表現(xiàn)為交叉桿與側(cè)架組裝存在別勁現(xiàn)象，上述問題存在會導(dǎo)致交叉支撐裝置與側(cè)架組裝后，造成一定的內(nèi)應(yīng)力。

（c）組裝后的質(zhì)量控制

交叉支撐裝置裝于轉(zhuǎn)向架后，若在車體落下后由斜楔狀態(tài)產(chǎn)生的搖枕與側(cè)架不正位，將對交叉支撐組成受力狀態(tài)產(chǎn)生不利的影響。在轉(zhuǎn)向架組裝時(shí)，需在交叉支撐裝置組裝后對轉(zhuǎn)向架進(jìn)行正位檢測，控制組裝質(zhì)量。

3 轉(zhuǎn)8G型、轉(zhuǎn)8AG型交叉支撐裝置改進(jìn)方案研究

3.1 主要改進(jìn)內(nèi)容及理由

改進(jìn)方案見圖（2）主要改進(jìn)內(nèi)容有：

（a）加寬蓋板，消除原薄弱部位。原蓋板焊縫收弧處距板邊僅10mm，改進(jìn)后焊縫收弧處到板邊距離增加到40 mm；

（b）上蓋板長圓孔改為壓窩結(jié)構(gòu)，提高上蓋板的剛度和強(qiáng)度。

（c）改變材質(zhì)，由09CuPTiRe改為高強(qiáng)度耐侯鋼09CuPCrNi-A，其屈服強(qiáng)度為345Mpa，比09CuPTiRe耐侯鋼強(qiáng)度提高了17%。

（d）優(yōu)化定位座結(jié)構(gòu)，由原方頭改為圓頭，減小應(yīng)力集中。

定位座與蓋板的焊接形式：

定位座與蓋板的焊縫形式有三種：

ⅰ）兩側(cè)焊縫與中間孔內(nèi)塞焊縫并齊，優(yōu)點(diǎn)是焊接工藝性好，兩側(cè)焊縫與中間焊縫同時(shí)受力。

ⅱ）全封閉焊縫，優(yōu)點(diǎn)是焊縫處的應(yīng)力集中較小，缺點(diǎn)是圓弧端焊接工藝性差。

ⅲ）半封閉焊縫，介于以上兩方案之間。

(f)優(yōu)化定位座與桿體環(huán)焊縫的型式，在定位座環(huán)焊縫部位開環(huán)形槽，同時(shí)減小與鋼管間的配合間隙。并采用焊后熱處理，提高該對接環(huán)焊縫的疲勞強(qiáng)度。

3.2 改進(jìn)方案的強(qiáng)度計(jì)算和試驗(yàn)

（a）改進(jìn)方案有限元計(jì)算分析

由大連鐵道學(xué)院和同濟(jì)大學(xué)對改進(jìn)方案和原方案的交叉支撐裝置按新計(jì)算大綱的要求，進(jìn)行了有限元計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明：原方案與改進(jìn)方案在桿體的最大應(yīng)力幾乎沒有差別，而蓋板出現(xiàn)裂紋部位的最大應(yīng)力，改進(jìn)方案較原方案應(yīng)力水平下降了40%左右；扭曲對交叉支撐裝置的蓋板應(yīng)力影響較大。

（b）靜強(qiáng)度試驗(yàn)

由同濟(jì)大學(xué)對改進(jìn)方案交叉支撐裝置進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，原方案與改進(jìn)方案在桿體的最大應(yīng)力幾乎沒有差別，而蓋板容易出現(xiàn)裂紋部位的最大應(yīng)力改進(jìn)方案較原方案應(yīng)力水平下降了50%左右。

（c）動應(yīng)力測試試驗(yàn)

由北方交通大學(xué)對轉(zhuǎn)8G型、轉(zhuǎn)8AG型交叉支撐裝置的原型方案和改進(jìn)方案再次進(jìn)行了兩次正線運(yùn)行動應(yīng)力測試。動應(yīng)力測試結(jié)果表明，第ⅰ）種焊接形式的焊縫前端動應(yīng)力較小。

（d）小半徑曲線動應(yīng)力測試試驗(yàn)

由北方交通大學(xué)對原方案交叉支撐裝置及改進(jìn)后的交叉支撐裝置進(jìn)行了齊車公司廠內(nèi)小半徑曲線上的動應(yīng)力測試試驗(yàn)。結(jié)果表明，蓋板容易出現(xiàn)裂紋部位的最大動應(yīng)力幅值，改進(jìn)方案為60Mpa，原方案為120 Mpa，降低了50%。比較小半徑曲線動應(yīng)力與正線動應(yīng)力測試結(jié)果，小半徑曲線最大動應(yīng)力幅值比正線上的動應(yīng)力幅值約減小20%-30%。交叉桿桿身預(yù)制變形后，其動應(yīng)力幅值比正常桿身的明顯增大，特別是定位座與連接板焊縫的端頭，在通過R122m和R150m曲線時(shí)，約比正常桿身該部位的動應(yīng)力幅值提高60%左右，這是由附加彎矩引起的，因此必須控制桿身的變形。

（e）單側(cè)鐵鞋制動試驗(yàn)

為模擬駝峰調(diào)車作業(yè)工況，在齊車公司線路上，對裝改進(jìn)后的交叉支撐裝置的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行單側(cè)鐵鞋制動試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)速度分別為5km/h、7 km/h、10 km/h的重車實(shí)施單側(cè)鐵鞋制動時(shí)，交叉支撐裝置上的應(yīng)力均不超過55 Mpa。單側(cè)鐵鞋制動對交叉支撐組成的強(qiáng)度不會產(chǎn)生大的影響。

（f）頂升試驗(yàn)

為模擬列檢對軸承檢查作業(yè)工況，齊車公司對裝有改進(jìn)后的交叉支撐裝置的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了軸端頂升試驗(yàn)，以確定不超過材料屈服強(qiáng)度的最大頂升強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，同步頂升一根軸兩端或一個(gè)側(cè)架兩端，無論頂升多少高度，對交叉支撐組成受力情況都沒有明顯的影響，而頂升一個(gè)軸端時(shí)，不超過材料屈服強(qiáng)度的最大頂升高度為70mm。

（g）疲勞試驗(yàn)

應(yīng)用修訂的疲勞試驗(yàn)工況，對原型和改進(jìn)型交叉支撐裝置進(jìn)行了對比試驗(yàn)。對比試驗(yàn)表明交叉桿對接環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量等因素對交叉支撐裝置的疲勞強(qiáng)度有明顯影響。

綜上所述：為了延長交叉支撐裝置的使用壽命和更安全可靠，除獲得實(shí)測應(yīng)力譜外，需要進(jìn)行焊縫接頭的試驗(yàn)研究和更多實(shí)物試件的疲勞試驗(yàn)，隨著各項(xiàng)試驗(yàn)研究的深入開展，交叉支撐裝置的結(jié)構(gòu)和工藝會得到進(jìn)一步的改進(jìn)。交叉支撐裝置的使用壽命也會更進(jìn)一步的提高。

作者簡介：本人于1997年8月畢業(yè)于西南交通大學(xué)鐵道車輛專業(yè)，畢業(yè)后被分配到長春鐵路運(yùn)輸技工學(xué)校（即現(xiàn)在的沈鐵長春鐵路職工培訓(xùn)中心）任鐵道車輛專業(yè)教師直至今。現(xiàn)主要在特培教研組，主要從事在職職工脫產(chǎn)培訓(xùn)的一線教學(xué)。尤其是電工特殊工種的培訓(xùn)。２００２初被聘為中級講師職稱。現(xiàn)技術(shù)職稱為中級工程師。出生年：１９７４年.籍貫：吉林省農(nóng)安縣。