鐵道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)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(fā)展，高速列車運行速度在不斷提高。轉(zhuǎn)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(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的主要承載結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜的交變載荷作用下，轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)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(jié)構(gòu)疲勞強度方法以及抗疲勞設(shè)計中的損傷容限設(shè)計。旨在同行參考借鑒。

關(guān)鍵詞：鐵道車輛；轉(zhuǎn)向架；構(gòu)架；疲勞壽命；損傷容限

1 導(dǎo)言

鐵路車輛結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性一直是國內(nèi)外重要研究內(nèi)容。在鐵道車輛組成部件之中，轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)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(fù)雜的疲勞載荷。尤其是對高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，其運行時的承載情況要比傳統(tǒng)車輛更為嚴(yán)苛，焊接構(gòu)架的疲勞強度能否達(dá)到設(shè)計及運行要求將直接影響高速列車的安全性、平穩(wěn)性、舒適性與經(jīng)濟(jì)性。因此，本文就針對鐵道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞壽命及損傷容限展開研究。

2 研究鐵道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞壽命及損傷容限的必要性

轉(zhuǎn)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(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的主要承載結(jié)構(gòu)。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(gòu)架的疲勞強度能否達(dá)到設(shè)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(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)可看到，鐵道車輛運行過程中承受的主要載荷是復(fù)雜的交變載荷，在這種載荷長期作用下，轉(zhuǎn)向架燥接構(gòu)架的輝縫極易產(chǎn)生疲勞損傷，導(dǎo)致安全事故發(fā)生。所以，針對轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的可靠性，在對其疲勞強度和疲勞壽命進(jìn)行評估和預(yù)測時，使用何種理論方法分析和試驗方法得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確，是目前的研究重點。

我國鐵道車輛承載結(jié)構(gòu)設(shè)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(jì)末開始參照國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，主要是國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)我國鐵路線路的實際情況，在此基礎(chǔ)上形成了部分國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計階段對承載結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)可根據(jù)隨機疲勞損傷累積理論研究其疲勞壽命。

3 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度方法研究

疲勞是指在承受足夠多的循環(huán)載荷作用之后，材料萌生了裂紋甚至完全斷裂，材料本身發(fā)生了局部的、永久性結(jié)構(gòu)變化的過程。其本質(zhì)是在交變載荷作用下的動態(tài)破壞過程。大量現(xiàn)場經(jīng)驗表明，發(fā)生斷裂時實際斷裂應(yīng)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(fā)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(jié)構(gòu)中一項重要評價指標(biāo)。

焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度取決于結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)造及焊接接頭細(xì)節(jié)特征等因素，結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)造影響疲勞載荷的分布和傳遞，焊接接頭細(xì)節(jié)特征則影響結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力應(yīng)變。所以，焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度分析可從整體到局部進(jìn)行不同層次的分析。焊接結(jié)構(gòu)的疲勞失效包括裂紋萌生，裂紋擴(kuò)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(kuò)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(yīng)力狀態(tài)，裂紋的擴(kuò)展取決于包括缺口效應(yīng)的裂紋局部應(yīng)力強度因子?？紤]焊接接頭不同類型和局部行為等不同結(jié)構(gòu)層次的影響，對于焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的分析主要有4種方法，即名義應(yīng)力法、結(jié)構(gòu)應(yīng)力法、缺口應(yīng)力應(yīng)變法和斷裂力學(xué)法。其中，名義應(yīng)力法為整體法，缺口應(yīng)力應(yīng)變法和斷裂力學(xué)法為局部法，結(jié)構(gòu)應(yīng)力法是整體法與局部法之間的過渡方法。缺口應(yīng)力應(yīng)變法主要用于基于缺口根部應(yīng)力的裂紋萌生階段，斷裂力學(xué)法用于已有初始裂紋的裂紋擴(kuò)展和最終斷裂階段。通過研究表明，焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度評估由整體法到局部法遞進(jìn)發(fā)展的關(guān)系。

4 抗疲勞設(shè)計中的損傷容限設(shè)計

由于疲勞問題的復(fù)雜性和材料疲勞性能的離散性，任何壽命預(yù)測方法都只能提供統(tǒng)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(yù)測能力的不斷提高，疲勞設(shè)計方法也得到跨越式地發(fā)展。從基于疲勞極限Sf和應(yīng)力強度因子門檻值ΔKth控制的無限壽命設(shè)計；到利用疲勞S-N曲線、？-N曲線和Miner理論進(jìn)行的有限壽命設(shè)計；再到考慮疲勞裂紋萌生、擴(kuò)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(shè)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(shè)計方法之間并不是相互取代的關(guān)系，而是相互補充、相互完善，根據(jù)不同情況、不同需求選擇最適合的疲勞設(shè)計方法。

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

如右圖1所示，假設(shè)結(jié)構(gòu)中存在尺寸為a0的初始裂紋，為保證結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下?lián)p傷是緩慢增長的，須選擇韌性較好的材料進(jìn)行制造。隨著使用時間的延續(xù)，裂紋a不斷增長，受損結(jié)構(gòu)的剩余強度σR也不斷降低。為了確保安全，結(jié)構(gòu)剩余強度須大于最大工作應(yīng)力σmax，剩余強度曲線與最大工作應(yīng)力水平線交點所對應(yīng)的就是臨界裂紋長度ac，即發(fā)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(nèi)，通過合理安排裂紋檢查，保證裂紋在擴(kuò)展至臨界長度ac之前被檢查出并及時修復(fù)，就能夠確保結(jié)構(gòu)安全性。同時，結(jié)構(gòu)的剩余強度也得到修復(fù)，進(jìn)入下一個使用周期。由此可見，斷裂判據(jù)和裂紋擴(kuò)展速率方程是損傷容限設(shè)計的基礎(chǔ)。損傷容限設(shè)計的三個重要因素為：（1）剩余強度：使用斷裂力學(xué)分析評估結(jié)構(gòu)剩余強度，保證其安全性；（2）損傷增長：按照疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律，檢測、控制裂紋長度；（3）檢查周期：依據(jù)裂紋檢出能力進(jìn)行概率統(tǒng)計分析，制定合理檢查周期。

5 結(jié)語

綜上可知，本文針對鐵道車輛焊接構(gòu)架，在傳統(tǒng)的名義應(yīng)力法評估的基礎(chǔ)上，引入斷裂力學(xué)損傷容限思想和疲勞強度評定方法。鐵道車輛結(jié)構(gòu)的損傷容限分析是指在規(guī)定的未經(jīng)維修的使用期間，確保關(guān)鍵焊縫或者危險焊縫的安全容限及等級。旨在探索焊接構(gòu)架服役更安全、更經(jīng)濟(jì)的壽命評估新思路，拓展損傷容限方法在焊接構(gòu)架壽命評估領(lǐng)域的影響與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]安理.新一代高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度分析與試驗驗證[J].2010.

[2]米彩盈.鐵道機車車輛結(jié)構(gòu)強度[J].2009.

[3]沈彩瑜.鐵道車輛轉(zhuǎn)向架疲勞強度研究[J].2011.

（作者單位：本鋼集團(tuán)北營鐵運公司內(nèi)燃作業(yè)區(qū)）