客車(chē)車(chē)架開(kāi)裂原因分析

吳軍座

蘇州華碧微科檢測(cè)技術(shù)有限公司 江蘇省蘇州市 215024

1 引言

客車(chē)作為目前全世界最重要的交通運(yùn)輸工具，具有載運(yùn)能力強(qiáng)，運(yùn)送便捷，成本低廉等特點(diǎn)，被作為城市公共交通，中短途客運(yùn)以及中、小學(xué)校接送學(xué)生的首要選擇；客車(chē)的使用頻率高，用途廣泛，運(yùn)載的乘坐人員多，因此其設(shè)計(jì)、制造及使用的安全性和可靠性也日益受到重視和關(guān)注。客車(chē)設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量的優(yōu)劣，對(duì)于車(chē)輛在使用過(guò)程中的安全性和可靠性具有決定性的意義，客車(chē)的安全性直接關(guān)系到乘坐人員的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全，因此，對(duì)于客車(chē)的設(shè)計(jì)、制造和使用應(yīng)該具有更加嚴(yán)格的管控，對(duì)于客車(chē)安全性的研究更顯得重要，為此，本文對(duì)某型號(hào)客車(chē)在使用過(guò)程中車(chē)架開(kāi)裂的原因進(jìn)行了深入的分析，探明車(chē)架開(kāi)裂的原因，并對(duì)車(chē)架進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

2 試驗(yàn)材料與方法

車(chē)輛右側(cè)縱梁開(kāi)裂，開(kāi)裂部位距車(chē)架最前端約1380mm，開(kāi)裂處的宏觀形貌特征如圖1所示。裂紋由下翼面（下翼面與車(chē)架加強(qiáng)肋板斜尖角焊接部位）經(jīng)腹板延伸至上翼面。經(jīng)測(cè)量，開(kāi)裂部位車(chē)架下翼面鋼板厚度約為5.09mm，并且車(chē)架下翼面開(kāi)裂部位存在直徑約為8mm的圓孔；檢查車(chē)輛左側(cè)縱梁（與右側(cè)縱梁開(kāi)裂部位相同位置）如圖2所示，未見(jiàn)下翼面存在開(kāi)孔現(xiàn)象，未見(jiàn)相同位置存在車(chē)架開(kāi)裂現(xiàn)象。檢查發(fā)現(xiàn)車(chē)輛車(chē)架開(kāi)裂部位腹板外側(cè)（腹板靠近上翼面部位）存在補(bǔ)焊鋼板現(xiàn)象，裂紋沿焊縫的熱影響區(qū)域擴(kuò)展。

對(duì)開(kāi)裂的車(chē)架進(jìn)行取樣、制樣，并進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，材料拉伸性能檢測(cè)以及斷口的微觀形貌觀察分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 化學(xué)成分分析

對(duì)開(kāi)裂車(chē)架分別取兩處不同部位進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，其化學(xué)成分符合GB/T 3273-2005《汽車(chē)大梁用熱軋鋼板和鋼帶》中440L、510L及550L的要求。

3.2 材料拉伸性能試驗(yàn)

對(duì)開(kāi)裂車(chē)架分別取兩處不同部位進(jìn)行材料拉伸性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，其拉伸性能符合GB/T3273-2005《汽車(chē)大梁用熱軋鋼板和鋼帶》中510L及550L的要求。

3.3 斷口分析

由車(chē)架開(kāi)裂部位斷口的宏觀形貌可知，裂紋由下翼面經(jīng)腹板逐漸延伸至車(chē)架上翼面，如圖3所示。對(duì)車(chē)架開(kāi)裂部位分別標(biāo)示下翼面斷口部位為a區(qū)域，腹板中部斷口部位為b區(qū)域，分別對(duì)a區(qū)域、b區(qū)域進(jìn)行斷口微觀形貌觀察、分析，如圖4所示，a區(qū)域處微觀形貌為解理形貌，b區(qū)域處微觀形貌為韌窩形貌，即裂紋起源于下翼面位置，并向腹板中部擴(kuò)展，裂紋源處為解理形貌，擴(kuò)展區(qū)及最后斷裂處為韌窩形貌。

表1 化學(xué)成分分析檢測(cè)結(jié)果（wt%）

表2 材料拉伸試驗(yàn)

4 有限元仿真分析

為了更近一步探明車(chē)架在同樣載荷狀態(tài)和約束條件下車(chē)架應(yīng)力的分布，并對(duì)車(chē)架開(kāi)裂部位進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，采用有限元分析方法，對(duì)車(chē)架進(jìn)行建模，分析在同一載荷以及約束條件下車(chē)架下翼面開(kāi)孔及加強(qiáng)肋板存在斜尖角狀結(jié)構(gòu)與車(chē)架側(cè)面封閉，車(chē)架下翼面取消開(kāi)孔狀態(tài)時(shí)其應(yīng)力分布，如圖5所示。仿真結(jié)果表明，車(chē)架下翼面與加強(qiáng)肋板斜尖角部位焊接，下翼面開(kāi)設(shè)圓孔時(shí)，加強(qiáng)肋板下邊緣及下翼面圓孔部位有明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象；當(dāng)車(chē)架縱梁側(cè)面封閉，車(chē)架下翼面取消開(kāi)孔時(shí)，車(chē)架在原開(kāi)裂部位無(wú)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。

5 結(jié)果分析

由車(chē)架的宏觀形貌特征分析可知，車(chē)架裂紋由下翼面經(jīng)腹板逐漸向車(chē)架上翼面延伸，左、右車(chē)架縱梁在開(kāi)裂位置存在明顯不同的結(jié)構(gòu)，右側(cè)縱梁開(kāi)裂部位存在下翼面與車(chē)架加強(qiáng)肋板焊接后的斜尖角狀結(jié)構(gòu)及下翼面開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致車(chē)架存在應(yīng)力集中區(qū)域。

由材料的化學(xué)成分及拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果可知，車(chē)架的化學(xué)成分和力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于車(chē)架材料的要求。

由斷口分析可知，車(chē)架裂紋起源于下翼面位置，并向腹板中部擴(kuò)展，微觀斷口存在解理形貌特征和韌窩形貌特征。

由有限元仿真分析可知，車(chē)架下翼面與車(chē)架加強(qiáng)肋板焊接后的斜尖角部位，下翼面開(kāi)設(shè)圓孔部位有明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象；當(dāng)車(chē)架縱梁側(cè)面封閉，車(chē)架下翼面取消開(kāi)孔時(shí)，車(chē)架在原開(kāi)裂部位無(wú)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。

由以上綜合分析可知，車(chē)架下翼面開(kāi)孔及加強(qiáng)肋板與下翼面結(jié)合部位為斜尖角狀結(jié)構(gòu)，造成該部位應(yīng)力集中，導(dǎo)致車(chē)架承載能力下降并致車(chē)架開(kāi)裂。

6 結(jié)論及建議

（1）本文對(duì)某型號(hào)客車(chē)車(chē)架的開(kāi)裂原因進(jìn)行了綜合分析，主要原因?yàn)檐?chē)架結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中區(qū)域，導(dǎo)致其承載能力下降并致車(chē)架開(kāi)裂。（2）車(chē)架是車(chē)輛的重要組成部分，在車(chē)輛設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中都起到了至關(guān)重要的作用，車(chē)架在設(shè)計(jì)和工藝處理時(shí)，應(yīng)盡量減少可能造成應(yīng)力集中的區(qū)域，嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于車(chē)架的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要求執(zhí)行，避免車(chē)架因設(shè)計(jì)和工藝處理過(guò)程中的結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致安全性降低。