重載鐵路貨車焊接構(gòu)件抗疲勞性能分析

孟 勐 趙 鵬 趙增華

（齊齊哈爾工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161000）

0 引言

本項目為滿足重載鐵路貨車提速列車編組200輛、牽引噸位3萬t重載列車的使用需要，重點研究重載鐵路貨車焊接構(gòu)件的抗疲勞性能。列車主要參數(shù)如表1所示。

表1 列車主要技術(shù)參數(shù)

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(dǎo)致車體焊接部位的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜。考慮到車體承受著復(fù)雜的作用載荷，在設(shè)計重載鐵路貨車車體結(jié)構(gòu)強度時，需要考慮以下幾個作用載荷。

1.1 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(jié)構(gòu)和固結(jié)在車體上的其他部件重量所組成。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。

1.2 垂向動載荷

由車體本身狀態(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(chǎn)生的載荷稱為垂向動載荷。

1.3 側(cè)向力

側(cè)向力是作用在車體上的風(fēng)力和離心力。在重載鐵路貨車運行過程中，車體受到風(fēng)力的作用，當(dāng)車輛運行在曲線區(qū)段時，假設(shè)風(fēng)從車體的側(cè)面吹來，且垂直于車體的側(cè)壁，那么此時車體所受到的側(cè)向力為風(fēng)力與離心力之和。

1.4 扭轉(zhuǎn)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能使車體發(fā)生扭轉(zhuǎn)。車體的重心距離心盤面有一定高度，所以當(dāng)車體的第一個轉(zhuǎn)向架進入緩和曲線時，后面的轉(zhuǎn)向架仍然處于平直道；或者當(dāng)車體的第一個轉(zhuǎn)向架駛出曲線時，后面的轉(zhuǎn)向架仍然處于緩和曲線，這些狀態(tài)都可能使重載鐵路貨車車體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。

1.5 縱向力

當(dāng)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(chǎn)生縱向拉伸或縱向壓縮的作用力。這個作用力通過車體底架的板座將力傳遞到車體上，會引發(fā)車體變形。

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(dāng)零件承受的應(yīng)力超過疲勞極限的交變應(yīng)力時，應(yīng)力每循環(huán)作用一次，都會對材料產(chǎn)生一定量的損傷。當(dāng)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標準采納了網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力法計算方法，并于2009年被歐洲列為計算標準。網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力法又稱主S-N曲線法，是一種用來評估焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的最新方法。

2.3 兩種疲勞評價標準的比較

這兩種疲勞評價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(chǔ)。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(yīng)力比的影響和應(yīng)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，如果被評估的焊縫接頭形式與數(shù)據(jù)庫中的焊縫接頭形式吻合，那么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(shè)計。ASME標準引入了斷裂力學(xué)理論，并賦予其一個全新的概念，也就是等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力。ASME標準不僅考慮了車體焊接接頭的板厚和載荷模式產(chǎn)生的影響，還考慮到了應(yīng)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佳方法。由于是基于主S-N曲線數(shù)學(xué)模型進行計算，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(yīng)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(yīng)力集中分析

重載鐵路貨車車體的焊縫應(yīng)力集中分析和疲勞壽命預(yù)測的疲勞載荷包括車鉤縱向載荷和心盤載荷?，F(xiàn)根據(jù)設(shè)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的所有焊縫都逐個進行疲勞壽命評估，因此采用等效結(jié)構(gòu)應(yīng)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。疲勞壽命評估原則是根據(jù)車體的焊接形式和車體的靜強度分析結(jié)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(jié)果，通過預(yù)測平臺的主S-N曲線法模塊提取的車體各工況有限元結(jié)果節(jié)點力，進一步計算出各焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力和等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，最終得到各評估焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

4 影響重載鐵路貨車車體焊縫應(yīng)力集中的因素

4.1 焊縫形狀

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(dǎo)致應(yīng)力集中，降低焊接接頭的疲勞強度。

4.2 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（如裂紋、未焊透、未熔合、夾渣、咬邊等），因此在焊接過程中應(yīng)盡量避免或減少焊接接頭的幾何不連續(xù)，降低應(yīng)力集中，以提高焊接接頭的疲勞強度。

4.3 焊接缺陷

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），而焊接缺陷的方向、種類和位置對應(yīng)力集中的影響是不同的。第一，未焊透是削弱焊接焊縫的截面面積和引起應(yīng)力集中的主要因素。第二，冷、熱裂紋等具有脆性的組織結(jié)構(gòu)，能大幅降低車體結(jié)構(gòu)或焊接接頭的疲勞強度。第三，在焊接的過程中容易產(chǎn)生氣孔，體積型缺陷的氣孔同樣可以減少截面的尺寸，導(dǎo)致應(yīng)力集中。

5 重載鐵路貨車車體關(guān)鍵焊縫的疲勞壽命評估結(jié)果

本項目采用國際上最新的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)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，對重載鐵路貨車車體的關(guān)鍵焊接部位進行疲勞壽命評估。根據(jù)重載鐵路貨車車體有限元模型和疲勞載荷工況計算結(jié)果，在本項目研究的重載鐵路貨車車體上選取了39條關(guān)鍵焊縫進行疲勞壽命評估。在疲勞強度分析的基礎(chǔ)上，對重載鐵路貨車車體的39條關(guān)鍵焊縫進行結(jié)構(gòu)應(yīng)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(guān)鍵焊縫進行疲勞壽命評估。根據(jù)疲勞載荷工況計算結(jié)果，按線性關(guān)系分別換算車鉤疲勞載荷、心盤疲勞載荷的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)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(yù)測結(jié)果。車體39條關(guān)鍵焊縫的疲勞預(yù)測結(jié)果顯示，本項目研發(fā)的重車車體設(shè)計壽命里程為900萬km，焊縫總疲勞壽命為30年，可滿足重載鐵路貨車編組200輛、牽引噸位3萬t以上的使用需要。

6 結(jié)語

焊接是目前世界各國鐵路貨車構(gòu)件的主要連接方式，也是極易產(chǎn)生疲勞的部位。據(jù)不完全統(tǒng)計，世界各國鐵路貨車的疲勞事故絕大多數(shù)都發(fā)生在焊接部位。本文主要采用疲勞壽命分析方法對重載鐵路貨車車體的疲勞壽命進行分析，希望對我國重載鐵路貨車的車體焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能分析提供一定的參考。