鐵道車輛轉向架構架疲勞壽命及損傷容限研究

鄧志焱

摘要：隨著我國高速鐵路的不斷發展，高速列車運行速度在不斷提高。轉向架是鐵路車輛運行過程中軌道激勵的主要接收部件，而構架是轉向架的主要承載結構，在復雜的交變載荷作用下，轉向架焊接構架焊縫容易形成疲勞裂紋，威脅列車運行的安全性和可靠性。基于此，本文主要研究焊接結構疲勞強度方法以及抗疲勞設計中的損傷容限設計。旨在同行參考借鑒。

關鍵詞：鐵道車輛；轉向架；構架；疲勞壽命；損傷容限

1 導言

鐵路車輛結構的安全性與耐久性一直是國內外重要研究內容。在鐵道車輛組成部件之中，轉向架焊接構架是牽引電機、齒輪箱、橫向止擋和抗蛇行減振器等重要部件的基本載體，承受著極為復雜的疲勞載荷。尤其是對高速列車轉向架構架，其運行時的承載情況要比傳統車輛更為嚴苛，焊接構架的疲勞強度能否達到設計及運行要求將直接影響高速列車的安全性、平穩性、舒適性與經濟性。因此，本文就針對鐵道車輛轉向架構架疲勞壽命及損傷容限展開研究。

2 研究鐵道車輛轉向架構架疲勞壽命及損傷容限的必要性

轉向架是鐵道車輛運行過程中軌道激勵的主要接收部件，而構架是轉向架的主要承載結構。它既支撐車體在軌道上運行，又連接各種零部件，承受和傳遞來自各方向的交變載荷，是鐵道機車車輛上最重要的部件之一，焊接構架的疲勞強度能否達到設計要求將直接影響鐵道車輛運行時的安全性和可靠性。分析國內外相關研究文獻可看到，鐵道車輛運行過程中承受的主要載荷是復雜的交變載荷，在這種載荷長期作用下，轉向架燥接構架的輝縫極易產生疲勞損傷，導致安全事故發生。所以，針對轉向架焊接構架的可靠性，在對其疲勞強度和疲勞壽命進行評估和預測時，使用何種理論方法分析和試驗方法得到的結果更加準確，是目前的研究重點。

我國鐵道車輛承載結構設計和強度可靠性研究長期停留在靜強度水平，無法滿足鐵道車輛輕量化和疲勞可靠性要求。在20世紀末開始參照國外相關標準，主要是國際鐵路聯盟標準、歐洲標準和工業標準，并根據我國鐵路線路的實際情況，在此基礎上形成了部分國內行業標準。在設計階段對承載結構進行疲勞強度評定具有很高的工程實用價值，該方法簡單使用，可靠性較高，分析成本也相對低廉。高速列車在軌道上運行時，由于線路軌道不平順，機車車輛受到隨機載荷的作用，此時，承載結構可根據隨機疲勞損傷累積理論研究其疲勞壽命。

3 焊接結構疲勞強度方法研究

疲勞是指在承受足夠多的循環載荷作用之后，材料萌生了裂紋甚至完全斷裂，材料本身發生了局部的、永久性結構變化的過程。其本質是在交變載荷作用下的動態破壞過程。大量現場經驗表明，發生斷裂時實際斷裂應力往往低于材料的抗拉強度，甚至屈服強度，疲勞過程中也很難觀測到明顯的塑性變形，斷裂發生具有不確定性及突然性，是一種極其危險的失效形式，所以疲勞斷裂特性是工程結構中一項重要評價指標。

焊接結構的疲勞強度取決于結構的整體構造及焊接接頭細節特征等因素，結構的整體構造影響疲勞載荷的分布和傳遞，焊接接頭細節特征則影響結構的局部應力應變。所以，焊接結構疲勞強度分析可從整體到局部進行不同層次的分析。焊接結構的疲勞失效包括裂紋萌生，裂紋擴展和斷裂3個階段。焊接接頭的疲勞強度主要由裂紋的萌生和擴展2個過程決定。裂紋的萌生取決于焊縫的焊趾和焊根處的局部缺口應力狀態，裂紋的擴展取決于包括缺口效應的裂紋局部應力強度因子。考慮焊接接頭不同類型和局部行為等不同結構層次的影響，對于焊接結構疲勞強度的分析主要有4種方法，即名義應力法、結構應力法、缺口應力應變法和斷裂力學法。其中，名義應力法為整體法，缺口應力應變法和斷裂力學法為局部法，結構應力法是整體法與局部法之間的過渡方法。缺口應力應變法主要用于基于缺口根部應力的裂紋萌生階段，斷裂力學法用于已有初始裂紋的裂紋擴展和最終斷裂階段。通過研究表明，焊接結構疲勞強度評估由整體法到局部法遞進發展的關系。

4 抗疲勞設計中的損傷容限設計

由于疲勞問題的復雜性和材料疲勞性能的離散性，任何壽命預測方法都只能提供統計意義上的平均疲勞壽命建議值。隨著疲勞研究的不斷深入和預測能力的不斷提高，疲勞設計方法也得到跨越式地發展。從基于疲勞極限Sf和應力強度因子門檻值ΔKth控制的無限壽命設計；到利用疲勞S-N曲線、？-N曲線和Miner理論進行的有限壽命設計；再到考慮疲勞裂紋萌生、擴展，綜合控制初始缺陷尺寸、剩余強度及檢查周期的損傷容限設計，抗疲勞斷裂分析能力得到了極大的提升。但不同的疲勞設計方法之間并不是相互取代的關系，而是相互補充、相互完善，根據不同情況、不同需求選擇最適合的疲勞設計方法。

由于裂紋的存在，安全壽命設計并不能完全保證構件安全性。損傷容限設計是為了保證含裂紋或可能含裂紋構件的安全性，而產生的一種新型疲勞斷裂控制方法。該方法的設計思路是：假定構件中存在裂紋，綜合使用斷裂分析、疲勞裂紋擴展分析，配合試驗驗證，保證在周期性檢查中肯定能發現裂紋，確保構件中的裂紋不會擴展到發生斷裂的程度。

如右圖1所示，假設結構中存在尺寸為a0的初始裂紋，為保證結構在工作載荷作用下損傷是緩慢增長的，須選擇韌性較好的材料進行制造。隨著使用時間的延續，裂紋a不斷增長，受損結構的剩余強度σR也不斷降低。為了確保安全，結構剩余強度須大于最大工作應力σmax，剩余強度曲線與最大工作應力水平線交點所對應的就是臨界裂紋長度ac，即發生危險破壞時的臨界點。從可檢裂紋長度ai到臨界裂紋長度ac的時間，即為檢查周期。在檢查周期內，通過合理安排裂紋檢查，保證裂紋在擴展至臨界長度ac之前被檢查出并及時修復，就能夠確保結構安全性。同時，結構的剩余強度也得到修復，進入下一個使用周期。由此可見，斷裂判據和裂紋擴展速率方程是損傷容限設計的基礎。損傷容限設計的三個重要因素為：（1）剩余強度：使用斷裂力學分析評估結構剩余強度，保證其安全性；（2）損傷增長：按照疲勞裂紋擴展規律，檢測、控制裂紋長度；（3）檢查周期：依據裂紋檢出能力進行概率統計分析，制定合理檢查周期。

5 結語

綜上可知，本文針對鐵道車輛焊接構架，在傳統的名義應力法評估的基礎上，引入斷裂力學損傷容限思想和疲勞強度評定方法。鐵道車輛結構的損傷容限分析是指在規定的未經維修的使用期間，確保關鍵焊縫或者危險焊縫的安全容限及等級。旨在探索焊接構架服役更安全、更經濟的壽命評估新思路，拓展損傷容限方法在焊接構架壽命評估領域的影響與應用。

參考文獻：

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[3]沈彩瑜.鐵道車輛轉向架疲勞強度研究[J].2011.

（作者單位：本鋼集團北營鐵運公司內燃作業區）