帶缺陷動車底部懸掛控制臺剩余強度分析

吳超云，徐立立，杜勝杰，李煥

（廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣州 510656）

前言

設備艙緊固件是動車設備艙一個關鍵部件，在保持設備艙外形、支撐設備艙托起懸掛設備方面起著關鍵作用，其穩固性、可靠性是動車安全運營的一個非常重要的因素[1-3]。設備艙底板由于其安裝的位置，既要承受由于列車運行過程中會車、進出隧道等氣動載荷的影響，同時還要承受由于輪軌相互作用等振動沖擊引起的多重力矩載荷，將導致結構的瞬時破裂，以及長時間的疲勞損傷，尤其是吊裝部件出現不同形式的缺陷時，如凹坑，腐蝕等，是否對控制臺的強度帶來影響，會不會造成行車安全，目前還未有明確的定論。

目前，時速300 km以上的動車組已經相繼進入五級檢修，檢修時對于有缺陷的部件是否更換缺乏科學的依據，因此有必要研究在運行一定里程后控制臺的結構強度特性及耐久性，評估其剩余的結構強度，并與新的樣品進行強度分析比較，確定五級修設備艙緊固件當前的強度狀態，確定判廢標準，保障車輛安全運行[4-6]。同時，進而從產品的結構設計、加工工藝、檢修方法，找出設備艙緊固件強度下降的解決措施，提高緊固件的結構強度、預防緊固件失效，進而導致事故。

1 完好控制臺的結構強度分析

控制臺實車裝配圖，構建其仿真應力分布熱圖，如圖1所示。

從圖1可以看出，其應力主要集中在腰部、螺紋口、底部邊角處周圍。根據應力的分布進行取樣，其取樣位置包括應力集中及非應力集中位置，如圖2所示，并對樣品進行拉伸強度試驗，結果如圖3所示。

圖1 控制臺的實車裝配圖及仿真分析

圖2 控制臺取樣位置示意圖

圖3 控制臺拉伸強度對比圖

為便于識別，對新品、修程為240萬公里和修程為480萬公里樣品，按圖3標識位置進行切片試樣，其樣品編號規則如表1所示。

表1 取樣樣品編號規則表

其強度測試結果匯總如圖3所示從位置來看，非集中區域的6位置拉伸強度相對較大，而梯形腰線3和頂邊孔邊緣5位置拉伸強度相對較小，仿真分析結果相一致。

從運行里程來看，修程240萬公里后拉伸強度基本無變化，修程480萬公里略有下降，由于樣本的差異性，不能確認是否由于運行里程造成的強度下降。但是，480萬公里運行后的控制臺最低拉伸強度達到290 MPa。

取樣分析顯示的結果按照控制臺的服役狀態下受到的最大應力為σc=109.3 MPa，按照拉伸試驗得到的控制臺的舊件屈服強度最小為245 MPa，170 mm 控制臺的舊件屈服強度最小為290 MPa。仍滿足《鐵路應用—鐵路車輛車體的結構強度要求》[7-9]允用應力對計算應力的比率將大于或等于S1。

式中：

R—材料屈服應力（Rel）或0.2 %彈性應力，單位為N/mm2；

σc—計算應力，單位為N/mm2。

利用有限元分析工具對不同載荷量級狀態下計算得到了應力最大值，并且計算了相應的R/σc值，如表2所示，顯示了R/σc值不斷下降。

表2 控制臺不同載荷狀態下的R/σc

可見，在正常的1 500 kg的配重下，運行五級修后不帶缺陷的控制臺能夠滿足安全系數1.5的要求。同時，為保證產品1.5的安全系數，動車組控制臺建議配重不超過2 000 kg。

2 帶缺陷動車組控制臺的剩余強度評估

2.1 控制臺缺陷形式收集

控制臺主要缺陷形式為兩類：腐蝕刻薄和沖擊凹坑，收集不同缺陷形式并建立帶缺陷的控制臺模型，如圖4～圖6所示。

1）控制臺底部螺紋孔發生腐蝕刻薄，腐蝕厚度分別設置為5 mm及10 mm，如圖4所示。

圖4 控制臺缺陷形式I

2）控制臺梯形腰外部發生沖擊凹坑，沖擊凹坑深度分別設置為5 mm、20 mm、30 mm及40 mm，如圖5所示。

圖5 控制臺缺陷形式II

3）控制臺梯形腰內部發生沖擊凹坑，沖擊凹坑深度分別設置為0.5 mm、1 mm及2 mm，如圖6所示。

圖6 控制臺缺陷形式III

2.2 帶缺陷控制臺剩余強度評估

2.2.1 控制臺缺陷形式I剩余強度

控制臺缺陷形式I表現為底部螺紋孔發生腐蝕刻薄，腐蝕厚度分別為5 mm及10 mm，載荷工況為2 000 kg，分別進行不同腐蝕厚度下控制臺剩余強度計算，表3給出了不同腐蝕厚度下控制臺最大計算應力值。

表3 控制臺缺陷形式I不同腐蝕厚度下最大計算應力值 （MPa）

控制臺缺陷形式I下的應力集中區為梯形腰內側。從表3可以看出，隨著底部螺紋孔腐蝕厚度的增加，控制臺最大計算應力相差不大，表明該缺陷形式下最大計算應力對底部螺紋孔腐蝕程度不敏感。當螺紋孔發生腐蝕刻薄后，要重點關注腐蝕后的螺紋孔與螺栓間的裝配關系，防止控制臺與所連接的結構分離，必要時，需要對螺栓重新進行強度校核。

2.2.2 控制臺缺陷形式II剩余強度

控制臺缺陷形式II表現為梯形腰外部處的沖擊凹坑，凹坑深度分別設置為5 mm、20 mm、30 mm及40 mm（梯形腰已打通），載荷工況為2 000 kg，分別進行不同沖擊凹坑深度下控制臺剩余強度計算，表4給出了不同沖擊凹坑深度下控制臺最大計算應力值。

控制臺缺陷形式II下的應力集中區仍為梯形腰內側。從表4可以看出，隨著沖擊凹坑深度的增加，控制臺最大計算應力也逐漸增加；當凹坑深度穿通梯形腰時，控制臺最大計算應力出現劇增。

表4 控制臺缺陷形式II不同沖擊凹坑深度下最大計算應力值（MPa）

2.2.3 控制臺缺陷形式III剩余強度

控制臺缺陷形式III表現為梯形腰內部處的沖擊凹坑，凹坑深度分別設置為0.5 mm、1 mm及2 mm，載荷工況為2 000 kg，建立缺陷形式III下的有限元模型，分別進行不同凹坑深度下控制臺剩余強度計算，表5給出了不同凹坑深度下控制臺最大計算應力值。

控制臺缺陷形式III下的應力集中區為梯形腰內側缺陷發生區。從表5可以看出，隨著凹坑深度的增加，最大計算應力也逐漸增加。

表5 控制臺缺陷形式III不同沖擊凹坑下最大計算應力值（MPa）

綜上所述，同等載荷工況下，控制臺缺陷形式III下的最大計算應力大于其他缺陷形式，這主要由于控制臺應力集中區正好位于梯形腰內側。因此，當缺陷出現在應力集中區時， 控制臺的最大計算應力增加越明顯，結構力學性能下降越顯著，安全裕度降低。除此之外，當螺紋孔處發生腐蝕時，要重點關注螺紋孔與螺栓間的裝配關系，必要時，需要對螺栓強度重新進行校核以保證整個結構的安全運行。

2.2.4 帶缺陷控制臺安全系數評估

根據《鐵路應用—鐵路車輛車體的結構強度要求》計算相應的R/σc值，控制臺缺陷形式I下的R/σc值，如表6所示。

從表6可以看出，控制臺缺陷形式I下，隨著底部螺紋孔腐蝕厚度的增加，控制臺標準安全系數相差不大；當螺紋孔腐蝕厚度（10 mm）達到整個底部板厚一半時，雖然控制臺的強度安全系數仍滿足BSEN-12663-2000標準安全系數1.5的要求，但此時需要重點關注腐蝕后的螺紋孔與螺栓間的裝配關系，防止相連接的結構件分離，必要時，需要對螺栓重新進行強度校核。

表6 控制臺缺陷形式I不同腐蝕厚度下的R/σc

從表7可以看出，控制臺缺陷形式II下，隨著沖擊凹坑深度的增加，控制臺標準安全系數下降。當梯形腰外部沖擊凹坑深度達到40 mm時，控制臺標準安全系數出現驟降，無法夠滿足BS-EN-12663-2000標準安全系數1.5的要求。

表7 控制臺缺陷形式II不同沖擊凹坑深度下的R/σc

從表8可以看出，控制臺缺陷形式III下，隨著沖擊凹坑深度的增加，控制臺標準安全系數下降較為明顯，表明該缺陷形式下，標準安全系數對梯形腰內部倒角處的缺陷較為敏感；當沖擊凹坑深度達到2 mm時，無法滿足BS-EN-12663-2000標準安全系數1.5的要求。

表8 控制臺缺陷形式III不同沖擊凹坑深度下的R/σc

需要注意的是，當螺紋孔發生腐蝕刻薄后，要重點關注腐蝕后的螺紋孔與螺栓間的裝配關系，必要時，需要對螺栓重 新進行強度校核。

3 結論

1）對于無缺陷的控制臺樣件，在運行240萬公里后，樣件的強度基本無變化，480萬公里后，強度略有下降，但均在安全系數1.5的范圍內，體現了樣件有較大的設計余量。

2）同等載荷工況下，控制臺缺陷形式III下的最小安全系數小于其他缺陷形式且應力極限強度大于其他缺陷形式，這主要由于控制臺應力集中區正好位于梯形腰內側。因此，當缺陷出現在梯形腰內側，控制臺最小安全系數最小，耐久極限強度最大，結構力學性能下降顯著，安全裕度降低，在周期交變載荷作用下，結構容易發生失效。

3）若控制臺缺陷未出現在應力集中區，控制臺標準安全系數對缺陷形式不敏感，當外部梯形腰沖擊凹坑深度達到40 mm時，無法滿足BS-EN-12663-2000標準安全系數1.5的要求。