重載鐵路貨車焊接構件抗疲勞性能

孟 勐

(齊齊哈爾工程學院，黑龍江，齊齊哈爾 161005)

1 重載鐵路貨車車體承受的載荷

重載鐵路貨車在行駛過程中，車體所承受的是一個連續(xù)的、隨機的力，導致車體焊接部位的應力狀態(tài)十分復雜?？紤]到車體承受著復雜的作用載荷，在設計重載鐵路貨車車體結構強度時，需要考慮以下幾個作用載荷：(1)垂向靜載荷。重載鐵路貨車車體的自重和載重是作用在車體上的垂向靜載荷，通常車體的自重由車體鋼結構和固結在車體上的其它部件重量所組成。車輛載荷(除特種貨車)取標記載重(作為車輛載重；敞車考慮雨、雪增載作用，取標記載重的 1.15倍作為車輛載重。(2)垂向動載荷。因為車體本身狀態(tài)不良(例如車輪滾動圓偏向等)、軌道不平順、鐵路鋼軌接縫等因素引發(fā)輪軌間沖擊和車輛簧上振動而產生的載荷稱為垂向動載荷。(3)側向力。側向力是作用在車體上的風力和離心力。當重載鐵路貨車運行時，車體受到風力的作用，當車輛運行在曲線區(qū)段時，假設風從車體的側面吹來，且垂直于車體的側壁，此時車體所受到的側向力為風力與離心力之和。(4)扭轉載荷。重載鐵路貨車在運行過程中，呈曲線、蛇形運動或進出道岔等均可以使車體發(fā)生扭轉。因車體的重心距離心盤面有一定高度，所以當車體的第一個轉向架已進入到緩和曲線時，后面的轉向架仍然處于平直道。或者當車體的第一個轉向架駛出曲線時，后面的轉向架仍然處于緩和曲線，這些狀態(tài)都可以使重載鐵路貨車車體產生扭轉。 (5)縱向力。當重載鐵路貨車的運動狀態(tài)發(fā)生變化時，車體牽引緩沖裝置會因相鄰兩個車體間存在的速度差而產生縱向拉伸或壓縮的作用力，這個作用力通過車體底架的板座將力傳遞于車體上，會引發(fā)車體產生變形。

2 重載鐵路貨車車體疲勞性能評價標準

2.1 AAR疲勞評價標準

AAR標準采用 Miner線性累積損傷理論進行疲勞計算，當零件承受的應力超過疲勞極限的交變應力時，應力每循環(huán)作用一次，都對材料產生一定量的損傷，如果累積損傷之和等于1時，即可認定出現(xiàn)疲勞破壞。

2.2 ASME疲勞評價標準

ASME標準中采納了網(wǎng)格不敏感結構應力法計算方法，該方法2009年被歐洲列為計算標準。網(wǎng)格不敏感結構應力法又稱主S-N曲線法，是一種最新用來評估焊接結構的疲勞壽命方法。

2.3 2種疲勞標準的比較

這2種疲勞標準在計算焊縫的累積損傷時，都以Miner線性損傷累計理論作為基礎。

AAR標準在其數(shù)據(jù)庫中提供了多種的焊縫接頭形式，且考慮了應力比的影響和應力循環(huán)特性，可操作性較強。在運用AAR標準評估重載鐵路貨車車體焊縫疲勞壽命時，被評估的焊縫接頭形式與提數(shù)據(jù)庫中的焊縫接頭形式吻合，其焊縫疲勞壽命評估就是有價值的。因此，AAR標準比較適用于新型貨車的疲勞設計。

ASME標準引入了斷裂力學理論，并賦予了一個全新的概念，也就是等效結構應力。ASME標準不僅考慮了車體焊接接頭的板厚和載荷模式產生的影響，還考慮到了應力集中的影響，它是目前世界上評估車體焊縫疲勞壽命的最優(yōu)方法。在進行計算時，基于一條主 S-N曲線數(shù)學模型，不需要考慮車體焊接接頭的具體形式，因此，ASME標準突破了傳統(tǒng)名義應力法的第一個局限性，在解決工程問題上具有廣泛適用性。

3 重載鐵路貨車車體焊縫應力集中分析

重載鐵路貨車車體的焊縫應力集中分析和疲勞壽命預測的疲勞載荷包括車鉤縱向載荷和心盤載荷。根據(jù)設計圖紙，建立涵蓋焊縫細節(jié)的車體有限元模型，該模型可以準確模擬車體焊縫處的剛度，大幅提高車體焊縫壽命的評估準確性。

在焊縫的選取上，由于沒有必要對車體有限元模型上所有的焊縫都逐個進行疲勞壽命評估，因此選擇等效結構應力法中的主S-N曲線法對車體有限元模型上的任意一條焊縫進行疲勞壽命評估，疲勞壽命評估的焊縫選取原則是根據(jù)車體的焊接形式和車體的靜強度分析結果來評估車體該部位的焊縫壽命。

根據(jù)車體疲勞載荷工況的有限元計算結果，通過預測平臺的主 S-N曲線法模塊，提取車體各工況有限元結果的節(jié)點力，進一步計算出各焊縫結構應力和等效結構應力，最終得到各評估焊縫的結構應力。

4 影響重載鐵路貨車車體焊縫應力集中的因素

(1)焊縫的形狀。焊縫可以分為角焊縫和對接焊縫，角焊縫和對接焊縫的形狀很容易導致應力集中，降低焊接接頭的疲勞強度。

(2)焊接接頭的幾何不連續(xù)性。焊接接頭的主要形式有對接、搭接、十字接頭和丁字形，通常在焊接接頭部位會出現(xiàn)缺陷(例如裂紋、未焊透、未熔合、夾渣、咬邊等)。因此在焊接過程中應盡量避免或減少焊接接頭的幾何不連續(xù)，降低應力集中，從而提高焊接接頭的疲勞強度。

(3)焊接的缺陷。焊接的主要缺陷分為面狀缺陷(如裂紋等)和體積型缺陷(如氣孔、夾渣等)，焊接缺陷的方向、種類和位置對應力集中的影響是不同的。未焊透是削弱焊接焊縫的截面面積和引起應力集中的主要因素。另外，像冷、熱裂紋具有脆性的組織結構，能大幅降低車體結構或焊接接頭的疲勞強度。同時，在焊接的過程中容易產生氣孔，體積缺陷的氣孔同樣可以減小截面的尺寸，導致應力集中。

5 重載鐵路貨車車體關鍵焊縫的疲勞壽命評估結果

本項目采用國際上最新的等效結構應力法中的主S-N曲線法，在縱向載荷和垂向載荷共同作用下，對項目研發(fā)C80型不銹鋼敞車車體的關鍵焊接部位進行疲勞壽命評估。

根據(jù)C80型不銹鋼敞車車體的有限元模型和疲勞載荷工況計算結果，在本項目研究的C80型不銹鋼敞車車體上選取了39條關鍵焊縫進行疲勞壽命評估。在疲勞強度分析的基礎上，對重載鐵路貨車車體的39條關鍵焊縫進行結構應力分析。最后，根據(jù)疲勞載荷譜和重載鐵路貨車車輛的年運行里程，對該車體的39條關鍵焊縫進行疲勞壽命評估。

根據(jù)疲勞載荷工況計算結果，按線性關系分別換算車鉤疲勞載荷、心盤疲勞載荷的等效結構應力，用線性累積疲勞損傷理論求出39條焊縫的累積損傷值以及壽命里程。因為空車工況對疲勞壽命影響較小，所以本次評估只給出重車合成的疲勞壽命預測結果。

6 重載鐵路貨車車體的抗疲勞設計

根據(jù)本項目疲勞載荷工況相關的計算結果，按照線性關系對車鉤疲勞載荷和心盤疲勞載荷的等效結構應力分別進行換算。采用線性累積疲勞損傷理論計算出C80型不銹鋼敞車車體的各焊縫壽命里程和累積損傷值。由于C80型不銹鋼敞車車體的空車工況對疲勞壽命預測的影響不大。因此，只給出重車的疲勞壽命預測結果。

(1)在重新改進設計的車體有限元模型中，第28條關鍵焊縫和第29關鍵條焊縫是車體地板與枕梁上蓋板的焊縫，由于第28條關鍵焊縫和第29條關鍵焊縫的起始位置有一段距離是不焊的，因此，第28條關鍵焊縫和第29條關鍵焊縫的起始位置非常容易產生應力集中，導致焊縫的疲勞壽命達不到預期的設計要求。通過對車體結構的這個位置進行改進，具體措施是增加一塊T型筋板，T型筋板焊接在地板和枕梁上蓋板相接的位置處。

(2)改進設計后的車體關鍵焊縫的疲勞壽命預測結果顯示，新增加T型筋板結構不會對車體的總質量有大的影響，但改進設計后的第28條關鍵焊縫和第29條關鍵焊縫的疲勞壽命有明顯的提高，而且增加T型筋板結構后產生的全部新焊縫均滿足疲勞壽命的預期要求。

車體結構改進設計后，第28條關鍵焊縫的最短節(jié)點壽命從原來的13.5年提高到407年，壽命提高了30倍；第29條關鍵焊縫的最短節(jié)點壽命從原來的24.1年提高到170年，壽命提高了將近7倍。新增的焊縫，全部滿足疲勞壽命設計要求。根據(jù)對車體39條關鍵焊縫的疲勞預測結果，本項目研發(fā)的C80型不銹鋼敞車車體設計壽命里程為900萬km，焊縫總壽命為30年。可滿足重載鐵路貨車編組200輛、牽引3萬t位以上的使用需要。