搭接焊縫和對接焊縫的抗疲勞性能對比

高曉霞，曹永志，陳鳳艷，趙家明，孫暉東

（唐山軌道客車有限責任公司，1.工程師，2.助理工程師；河北 唐山 063035）

唐山軌道客車有限責任公司設計的某出口客車轉向架構架，經一段時間運營后，側梁與發電機吊架之間的搭接焊縫處出現微裂紋，為了解決此問題，本文分別依據JIS E 4207:2004《Truck frames for railway rolling stock-General rules for design》〔1〕（簡稱JIS4207）和國際焊接協會（IIW）標準XIII-1539-1996/XV-845-1996:《Fatigue Design of Welded Joints and Compponents》〔2〕（簡稱 IIW 標準），分析論證了將此處的搭接焊縫改為對接焊縫，可提高該部位的疲勞使用壽命。

依據IIW標準進行抗疲勞性能預測：通過有限元分析，計算出兩種形式的焊縫其應力的最大變化范圍Δσ，然后根據IIW標準來計算疲勞壽命。

依據JIS4207標準進行抗疲勞性能預測：通過有限元分析，計算出兩種形式的焊縫其應力幅值的最大值和相應的平均應力，將兩值置于相應材料的應力極限圖中，對其結果進行比較。

1 計算載荷及工況

該轉向架構架主要技術參數：軸重17 t，發電機質量132 kg，構架和發電機吊架所用鋼板材質為Q235。

1.1 計算載荷 側梁與發電機吊架的連接焊縫處主要載荷為制動載荷和發電機懸吊載荷。

1）制動載荷：F=Pstμg

式中：Pst為軸重；

μ為輪軌間的摩擦系數，取0.25；

g為重力加速度，取9.81m/s2。

計算得出一個轉向架所受的制動載荷為83.385 kN，一個轉向架裝有8個制動吊架，則每個制動吊架上的制動載荷約為10.4 kN。

2）發電機懸吊載荷：對發電機懸吊載荷的計算國內外均沒有標準規定，在這里引用JIS 4207對電機懸吊載荷的規定進行補充。發電機質量P=132 kg。其中：

垂向載荷F=（1±5）Pg=（1±5）×9.81×132=7.8 kN/-5.2 kN；

橫向載荷F=±4 Pg=±4×9.81×132=±5.2 kN；

縱向載荷F=±3 Pg=±3×9.81×132=±3.9 kN。

1.2 計算工況 針對以上載荷，選取兩種運營中極限載荷工況進行計算，具體工況如表1所示。

表1 計算工況

2 有限元計算分析

本文分別對側梁與發電機吊架之間的搭接焊縫與對接焊縫的抗疲勞性能進行評定，選取局部側梁與發電機吊架作為分析對象建立有限元模型。

2.1 搭接焊縫有限元模型計算 根據工況1和工況2載荷作用下的計算結果，得到搭接焊縫的應力值（見表2）。搭接焊縫有限元模型見圖1。

表2 搭接焊縫的應力值

圖1 搭接焊縫有限元模型

2.2 對接焊縫有限元模型計算 對接焊縫有限元模型見圖2。根據工況1和工況2載荷作用下的計算結果，得到對接焊縫的應力值（見表3）。

圖2 對接焊縫有限元模型

表3 對接焊縫的應力值

3 兩種焊縫的抗疲勞性能評定

3.1 依據國際焊接IIW標準進行評定 將兩連接焊縫處的結構細節與IIW標準中的表3.2-1（Fatigue resistance values for structural details in steelassessed on the basisofnormalstresses－基于標稱應力的鋼結構細節疲勞強度值列表）中提供的結構細部對比，選擇適合于本結構的橫向承載的搭接焊縫類型和橫向承載的對接焊縫類型。搭接焊縫的Fat值為63，對接焊縫的Fat值為71。

根據選取的搭接焊縫和對接焊縫的Fat值，由IIW 標 準 中 的 表 4（Constants，constant amplitude fatigue limitand cut-off limits－S－N曲線的常數C，等幅疲勞極限及截斷極限）中選擇相應的S-N數據。

表4 IIW表4常數，常幅疲勞極限和截止極限（本文僅選取了fat值為71和63的數據） 單位：MPa

疲勞損傷率計算公式為

為保守起見，分別選取表2、表3中搭接焊縫和對接焊縫應力幅值最大的節點進行評定，搭接焊縫節點號為28393；對接焊縫節點號為168792。依據上式，得出對接焊縫的疲勞損傷率為0.003，而搭接焊縫的疲勞損傷率為0.38，由此可以得出對接焊縫的抗疲勞性能優于搭接焊縫。

3.2 依據JIS4207標準進行評定 將表2、表3中搭接焊縫與對接焊縫上各節點的應力幅值與其平均應力置于Q235鋼材的應力極限圖中，得出結果（見圖3、圖4所示）。從圖中可以看出，在相同的運營條件下，搭接焊縫上節點應力幅值最大為36.87MPa，對接焊縫上節點應力幅值最大為16.46MPa，因此對比兩種焊縫，對接焊縫的抗疲勞性能優于搭接焊縫。

圖3 搭接焊接的應力極限圖

圖4 對接焊縫應力極限圖

4 結束語

本文僅借用IIW標準和JIS 4207標準分別對轉向架構架側梁和發電機吊架間的搭接焊縫與對接焊縫的抗疲勞性能做了對比，兩個標準的對比結果均表明側梁和發電機吊架之間采用對接焊縫的抗疲勞性能優于搭接焊縫。因此，焊接于構架上的各部件與構架的焊縫采用對接焊縫型式，對于日后的設計及生產具有指導意義。目前，針對構架上焊接吊架的疲勞評定并沒有專門的標準，建議企業或鐵道部制定相關標準為設計、生產及制造提供計算或參考依據，以滿足實際需要。

〔1〕JIS E 4207:2004《Truck frames for railway rolling stock-General rules for design》。

〔2〕國際焊接協會（IIW）標準：XIII-1539-1996/XV-845-1996:《Fatigue Design ofWelded Joints and Compponents》。

〔3〕高曉霞，楊軍永，李曉峰，構架疲勞損傷評估研究〔J〕.鐵道車輛，2010，48（5）：6-9。

〔4〕安琪，李芾，黃運華等，基于JIS標準的轉向架焊接構架疲勞強度評估〔J〕.機車電傳動，2009，4：26-29。