关键词：焊接构架；损伤容限；疲劳累积损伤
引言
通过应变试验分析和仿真静力分析，发现在转向架构架纵梁焊接接头的断裂处存在恶劣的应力集中，以致产生了过大的应力，是转向架构架该处断裂的根本原因。
1、研究背景
近年来，我国某某服务环境日益复杂极端化，目前正在设计生产的转向架对安全可靠性提出了更高的要求。其中，某某结构的抗疲劳问题成为重点研究课题。这是因为疲劳裂纹的产生和扩大具有很大的不确定性和隐蔽性，疲劳破坏时会发生瞬间的突发性，所以避免某某结构的疲劳破坏，提高运行安全性尤为重要。材料在交变载荷下会产生微观和宏观的塑料变形，这种塑料变形降低了材料的承载力，产生了裂纹，随着裂纹的增大，最终会导致断裂，这种过程称为疲劳。疲劳破坏一般由三个阶段组成。①应力集中发生初始疲劳裂纹，即裂纹发生。②裂纹稳定扩展；③不稳定和破坏。当然，这三个阶段之间没有严格的界限，这导致疲劳强度校正困难。疲劳过程受多种相关因素的影响，在同一个测试集或同一个问题的其他测试之间存在分散问题。疲劳破坏的一个重要特征是，从表面和应力集中开始，对于焊接结构，疲劳通常发生在连接中。焊接制造过程不仅会破坏母材的统一组织和特性，还会改变焊接区域或整个结构的应力状态和传力路径，从而导致材料内部和表面的各种缺陷，从而使焊接接头成为整体结构的弱点，是影响框架结构大型零件疲劳强度和寿命的重要因素。对于熔接框架疲劳寿命评估，目前流行的分析方法包括标称应力方法、结构应力方法和槽口应力方法。但是，既有强度设计思想的基本假设是将材料视为理想的均匀连续体，没有考虑到瑕疵车体的应力强度影响，因此很明显，设计过于保守。以断裂力学为基础的损伤容限评价方法在航空领域已经包括在标准评价标准中，但在某某领域却比较慢。目前，中国高速面临核心技术硬化和能力升级的核心阶段，企业也面临保持和提高核心竞争力的历史机遇。基于下一代工程结构的疲劳强度和剩余寿命设计方法疲劳断裂力学的转向架关键部件损伤公差设计逐渐受到关注。某某结构的损坏公差分析是指在指定的未修复使用期限内，确保关键焊缝或者危险焊缝的安全容限及等级。
2、转向架构架制造工艺
2.1转向架构架焊接工艺
根据摇枕结构为薄板焊接成箱形的结构特点，在转向架构架的组装和焊接过程中，由于薄板的相对热输入较大，焊接变形不易控制，由此造成的变形量较大。其具体的焊接工艺流程为：横向减震器座、横向挡座、二系垂减震器座、抗侧滚座等部件预组焊；转向架构架1次组焊，组装转向架构架下盖板1、围板1、枕簧座、转向架构架圆柱、转向架构架端部小立板等等；转向架构架2次组焊，组装转向架构架中部下盖板、中部内立板、中部外立板；转向架构架3次组焊，组装转向架构架端部上盖板、转向架构架中部上盖板、抗侧滚座上立板、摇枕端部小下盖板；转向架构架4次组焊，组装起吊座座板、起吊座肋板等；转向架构架5次组焊，组装导柱、抗侧滚座组成、二系垂减振器组成等。
2.2转向架构架制造工艺分析
焊接是一种以加热、高温的方式结合金属的制造工艺技术。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对于板材的焊接过程一定会产生焊接变形，一般由于焊缝的收缩会使工件整体长度变小，所以，对于构架的焊接都会预留一定的放量，即对组成构架的各个单件尺寸预留一定的长度放量，由于工厂现有的构架结构多是10mm以上的板材，首先按照现有的经验放量对该转向架构架单件制造图进行放量，然后根据实际情况作微小调整。转向架构架组焊完成后放在检测平台上进行尺寸测量，测得转向架构架纵向产生6～8mm的弯曲焊接变形，横向产生4～6mm的焊接变形。两端调平后测量2个枕簧座长度方向的尺寸为2003mm，大于理论值2000mm，测量2个圆柱孔中心距为1102mm，大于理论值1100mm。通过分析，由于该转向架构架大面积采用厚6mm的薄板，对接处采用的焊缝形式为：5Y形焊缝、5HY和Z3角焊缝，最大焊缝长度1050mm，且转向架构架结构其横截面小，导致其产生的弯曲焊接变形较大。由于产品的结构限制，故只能通过改进焊接工艺来满足要求，比如，优化焊接参数，采用小电流、多层焊方法，以减少焊接过程中的变形，并对部分零件放量进行优化调整，同时，增加一些关键的定位工装，在易变形的位置增加限位块等。
2.3焊接放量的确定
T形长焊缝，焊接收缩量每1m收缩1~1．5mm；对接焊缝，基本对接间隙会收缩完；调修情况下，烤火1次，收缩1mm。该型转向架构架，中间焊接U形，T形长焊缝1100mm，考虑到板薄，且内腔没有焊缝，收缩量1mm；U形焊接后会产生变形、扭曲等，调修1次，假设两头烤火，收缩量各1mm，总共2mm；中间2个U形与两侧组件对接时，肯定有焊接间隙，假设组装间隙1mm，焊后两侧就是2mm的收缩量；转向架构架焊后整体需要调修1次，假设两头烤火，收缩量各1mm，总共2mm。这样算下来，中间立板的放量就是（1＋2＋2＋2）mm＝7mm。转向架构架中部外立板两端是折弯，端部安装折弯角度顺延1mm放量，便于修磨装配，所以转向架构架中部外立板就是9mm放量。转向架构架中部下盖板和转向架构架中部内立板是7mm放量。中间大盖板后组装，应该减去前两部的焊接收缩量，所以大盖板只需要4mm的放量。转向架构架端部上盖板组装时，考虑到需要对准3个孔，不易组装，转向架构架圆柱处是焊透要求，因此此处有间隙，但是转向架构架端部上盖板与转向架构架中部上盖板组装时，应该一边留出1mm的放量，便于修磨装配。
3、疲劳分析与优化设计
基于nCode软件平台，依据标准Eurocode3的方法对转向架构架断裂处的焊缝接头进行疲劳计算[，该转向架构架焊接接头近似归于标准中B.1表中的100类，S-N曲线。焊接接头处的热点应力分别用焊趾处的试验测试应力和仿真局部峰值应力估计，计算得到该焊接接头的疲劳寿命分别为8.6万次和2.7万次。而转向架构架的实际疲劳试验约在正弦加载7.3万次时就发现该焊接接头处产生了明显的裂纹，此值介于仿真结果的区间范围内，可见仿真疲劳计算结果具有一定的可信性。
Eurocode3标准中焊接接头100类的S-N曲线针对性地优化转向架构架纵梁焊接接头处的结构，主要通过局部补强结构和改变焊接接头布置的办法，达到降低该区域的应力集中程度以及提高疲劳寿命的目的。优化后转向架构架该处焊接接头的局部应力峰值约为211MPa。而以此评估焊接接头的疲劳寿命约为38.6万次，满足内控不小于30万次的要求。该型转向架构架目前使用良好，再未发生出现裂纹的情况，可见优化设计达到了预期的目的。
结束语
目前某某转向架构架多是由板件拼焊而成的焊接件，焊接接头的安全耐久性是某某转向架构架结构设计中需要考虑的重要问题。有针对性地优化了该焊接接头的结构，延长了转向架构架的使用寿命，为类似焊接接头的疲劳分析提供了一定的参考。
参考文献
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[2]林鹏.转向架构架齿轮箱吊座服役行为试验及数值模拟仿真[J].电焊机,2018,48(03):331-336.
[3]胡珈铭.转向架构架应力与载荷谱研究[D].北京交通大学,2018.
论文作者:刘文松 马征征 苗成林
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第18期
论文发表时间:2020/3/16
标签：转向架论文; 构架论文; 疲劳论文; 应力论文; 盖板论文; 结构论文; 裂纹论文; 《科学与技术》2019年第18期论文;