轉向架構架轉臂座疲勞裂紋分析及改進措施

孫暉東 李志永 張佳宇 李 超 李作良

(中車唐山機車車輛有限公司技術研究中心 河北 唐山 063035)

轉向架是軌道車輛的走行機構，其穩定性和可靠性是軌道車輛運行安全的保證。構架是轉向架各零部件的安裝基礎，用于傳遞垂向力、橫向力、牽引力以及制動力，構架的疲勞可靠性對車輛安全性具有重大影響[1]。當前對于構架疲勞強度的分析方法主要有：有限元仿真計算、臺架疲勞試驗和線路動應力測試[2-4]。

在對某轉向架研究項目的構架進行臺架疲勞試驗過程中，發現轉臂座出現裂紋，通過分析產生裂紋的原因，從結構和試驗方法等方面入手，提出整改措施，保證了轉向架構架順利通過試驗驗證。

1 轉向架構架疲勞試驗方法

1.1 轉向架構架疲勞試驗介紹

該轉向架設計軸重為23 t,構架采用箱型鋼板焊接的單橫梁H形結構，如圖1所示，該構架的疲勞試驗方法主要依據美國APTA-PR-M-RP-009-98新造客車轉向架構架疲勞試驗的方式和評估方法進行試驗。對于試驗的載荷大小、循環方式、試驗評定等方面的控制如表1所示。

1—側梁；2—橫梁；3—齒輪箱吊座；4—電機安裝座；5—抗蛇行減振器座；6—轉臂座；7—踏面制動座；8—輪盤制動座。圖1 構架結構

構架疲勞試驗過程將所有的懸掛結構用剛性工裝替代。試驗工裝將載荷或約束施加到實際運營中的確切位置，盡可能模擬懸掛和轉向架連接件的作用方式和自由度。構架試驗加載情況如圖2所示。

表1 疲勞試驗過程控制

圖2 構架疲勞試驗現場

1.2 裂紋的產生

在疲勞試驗前、200萬次、400萬次、600萬次疲勞試驗后的磁粉探傷均未發現任何裂紋。但是當試驗進行到738萬次時，構架定位轉臂座上發現明顯的裂紋(見圖3)。裂紋起始于定位轉臂座的尖角處，并最終貫穿于構架側梁上。

圖3 構架定位轉臂座裂紋

2 原因分析

2.1 材料本身的性能

構架定位轉臂座的材料牌號為S355J2，執行標準為EN 10025-2。構架試驗結束后，切割有裂紋的定位轉臂座進行了斷口形貌觀察、化學成分分析、測試室溫拉伸性能、低溫沖擊性能，從材料本身入手，分析轉臂座是否滿足標準要求。

圖4所示為裂紋處顯微形貌，斷口上可以清晰地看到大量平行的疲勞條帶與裂紋擴展方向垂直。證實該斷口為典型疲勞斷口，疲勞條帶密集，且間距很小，說明該疲勞斷口屬于典型高周疲勞斷口。

圖4 裂紋處顯微形貌

化學成分、室溫拉伸性能、低溫沖擊性能檢測結果表明材料完全滿足標準要求。說明材料本身不存在問題。

2.2 應力集中

構架的定位轉臂座在運營過程中除了受垂向螺栓預緊力以外，還用于傳遞輪對和構架的橫向力和縱向力，是構架特別關鍵的承載結構。由圖3可以看到，在裂紋的起始位置處有明顯的尖角，容易產生應力集中，設計和制造過程中均沒有進行任何的倒角處理，可能是產生裂紋的關鍵因素。應力集中是結構疲勞最為薄弱的環節，控制了結構的疲勞壽命[5]。

2.3 試驗工裝的影響

構架的疲勞試驗將懸掛系統全部由剛性工裝替代，用于模擬輪對與構架的作用方式和自由度，期望達到的目標是構架一系彈簧座承受垂向載荷、定位轉臂座承受橫向和縱向載荷。圖5所示為工裝結構，雖然垂向支撐上設有2個球鉸，假車軸與軸箱工裝之間設計可旋轉以替代實際結構中的軸承，但是整體工裝結構的剛度較大，在較大的垂向載荷下假車軸與軸箱工裝的旋轉自由度被限制，過渡的約束造成定位轉臂座可能會承擔一部分垂向載荷。

另外，實際運營中定位轉臂座上安裝有防定位軸脫落的螺栓，但試驗時并未安裝此螺栓。

圖5 試驗約束工裝

3 改進措施

3.1 結構優化

經過討論，定位轉臂座的優化主要有兩種方案，一種是采用動車組成熟的轉臂座結構，另一種是在現有的轉臂座裂紋起始處進行修磨，保證光滑的圓角過渡，兩種方法均可有效減少應力集中。考慮到修磨轉臂座操作簡單方便，故優先考慮采用后一種方案(見圖6)。

圖6 轉臂座的優化方案

3.2 試驗工裝優化

為了讓構架力的傳遞更符合實際的結構，對垂向支撐工裝、假車軸、轉臂工裝進行了改進。將垂向支撐和假車軸分開，由假車軸和轉臂工裝組合來傳遞橫向和縱向力，由垂向支撐傳遞垂向力，垂向支撐桿本身的水平剛度有限，基本不會承擔水平力，結構如圖7所示。

圖7 更改后的工裝(整體)

為了保證轉臂節點與轉臂座的良好接觸，轉臂定位軸的尺寸嚴格按照實際尺寸來加工。同時，增加防脫落螺栓(見圖8)，并施加實際扭矩300 N·m，增大了轉臂座整體剛度，轉臂座整體受力狀態更好。

4 改進后驗證

4.1 有限元仿真驗證

由于轉臂座裂紋處的特殊結構，選擇應用有限元方法來評估強度。按照構架新結構和新工裝結構，建立精細的有限元模型，如圖9所示。

圖8 更改后的工裝(局部)

圖9 有限元模型

對原結構和新結構轉臂座裂紋處的計算應力進行了對比分析，分析結果如表2所示。

表2 原結構和新結構計算應力對比 /MPa

基于有限元仿真分析結果，應用GOODMAN鋼材疲勞極限圖評估疲勞強度[5-6]，以螺栓預緊力引起的應力為平均應力，以垂向、橫向、縱向動態載荷引起的應力為應力幅值，更改前后的應力評估狀態如圖10所示。

圖10 GOODMAN疲勞極限法評估

由表2和圖10可知，與原結構相比，新結構的轉臂座平均應力明顯減少，垂向螺栓預緊力作用下平均應力減少74 MPa，這是原結構疲勞強度超標的最主要原因。新工裝使轉臂座幾乎不再承受垂向載荷，轉臂座應力幅值減少了18 MPa，并且橫向、縱向載荷對轉臂座的影響有明顯的減小，應力幅值分別減少了7 MPa和4 MPa，工裝的合理改進有效降低了各向載荷對轉臂座的影響。

4.2 試驗驗證

將改進結構的新構架和新工裝組裝并重新進行1 400萬次疲勞試驗，試驗加載方式與第一次試驗完全相同，試驗過程中和結束后的磁粉探傷均沒有發現任何裂紋。

5 結束語

針對轉向架構架疲勞試驗過程中轉臂座出現裂紋的問題，從材料、結構、試驗工裝等各個環節綜合分析出現疲勞裂紋的原因，提出針對性的改進方案，并進行了疲勞強度計算驗證，1 400萬次的疲勞試驗后未出現任何裂紋。該轉向架構架的研制過程為今后新產品的開發提供了重要的參考價值。