C70型敞車枕梁下蓋板裂紋原因分析及改進建議

摘 要：對C70貨車枕梁蓋板裂紋故障進行了調研，從設計、制造工藝變化等方面對故障原因進行了分析，提出了產品結構、制造工藝、檢修作業等方面的改進措施。

關鍵詞：C70貨車；枕梁蓋板裂紋；建議

C70型敞車自2005年8月開始投入批量生產，至今為止，共生產約6萬輛車，該車段修周期為2年，從2007年8月開始，該車陸續進入段修期。通過近幾年來的運用考驗，暴漏出枕梁蓋板裂紋故障，雖然鐵道部要求段修時加強枕梁蓋板的檢修，但故障仍未徹底消除，裂紋加修后開裂問題仍由發生。據統計，2009年8月至2012年8月期間天津車輛段天津檢修車間共發現枕梁蓋板裂紋故障40件，本文從分析產生裂紋原因入手，對枕梁蓋板進行有限元的建模與分析，提出了合理化建議。

1 產生裂紋原因的分析

1.1 裂紋狀況

枕梁下蓋板組成（以下簡稱枕梁下蓋板）裂紋多發生在上心盤外側25mm左右區域、枕梁蓋板應力最集中處，裂紋長度最長約350mm，如圖1所示。

1.2 為進一步分析裂紋產生的原因，對12年7月份檢修的C70 1551738號敞車出現裂紋的枕梁下蓋板進行了分解取樣，如圖2、圖3。

取樣過程中發現通長斷口沿板厚方向有約2mm未裂透，斷口處板上平面留有通長白色撕裂帶。

取下枕梁下蓋板后，中梁下翼緣及心盤座的下平面在有裂紋側的平面度偏差較大，主要是中梁下翼緣外側低頭造成的。

枕梁下蓋板中下平面與上心盤接觸的邊緣在靠近裂紋處有深度約0.5mm的壓痕，如圖4所示。

1.3 C70 、C64型貨車故障部位結構及比較

C70、C64枕梁下蓋板處的結構基本相似，且該結構較為傳統，運用較為廣泛，但兩種車型在細節上仍有一些差別，如圖5，主要有：

（1）C70枕梁下蓋板中為Q450NQR1鋼板，C64枕梁下蓋板中為09CuPTiRE或09CuPCrNi-A鋼板。

（2）枕梁下蓋板中上平面與中梁下翼緣端頭焊縫被枕梁下蓋板遮蓋部分，C70該部位為6mm角焊，C64為不焊。

（3）C64上心盤直徑為300mm（C64）338mm（C64K），枕梁腹板間距為260mm，C70上心盤直徑為358mm，枕梁腹板間距為320mm。

（4）C64為矩形板， C70枕梁下蓋板與中梁連接端根部為圓弧結構。

1.4 通過斷口觀察，疲勞源區位于表面，裂紋萌生處無外物損傷痕跡、加工刀痕、腐蝕損傷、磨損痕跡等缺陷，疲勞擴展區較大，并有疲勞輝紋，且疲勞輝紋間距小，表明擴展速率小。

1.5 強度分析

制造上，乙字鋼中梁的上、下翼緣與腹板間均有角度偏差，心盤處隔板與下翼緣下平面組對時存在不平度偏差，枕梁下蓋板中單件上也存在不平度偏差，因此組裝后可能造成中梁下翼緣及心盤處隔板下平面與枕梁下蓋板中上平面存在間隙，如圖6。

針對上述情況，對該部位進行了有限元對比分析，結果表明：

（1）滿載和側滾工況下，枕梁下蓋板中與中梁下平面有間隙情況下裂紋處產生的應力水平遠大于無間隙情況。

（2）滿載和側滾工況下，枕梁下蓋板中與中梁下翼緣采用滿焊時裂紋處產生的應力水平高于段焊方式。

（3）在各種工況下，特別是垂向載荷工況，距中梁下翼緣約20mm，距心盤邊緣約25mm處（既產生裂紋處），存在一條寬度約為20mm的拉應力區，在該拉力區的兩側均為壓應力區。

1.6 制造過程中的分析

中梁制造過程中，須將心盤鉚接在枕梁下蓋板中下平面上，當枕梁下蓋板中與中梁下平面間有間隙時，鉚接心盤的作用力會引起枕梁下蓋板中變形如圖7所示。而當枕梁與中梁組對時，由于枕梁下蓋板中變形，其與枕梁下蓋板間的間隙變大，枕梁下蓋板中與枕梁下蓋板組焊前須通過組對胎型上的風缸頂緊，組裝后會引起枕梁下蓋板中產生裂紋區域的局部鼓起，如圖8所示，這也是組裝間隙大會導致殘余拉應力大的主要原因。

1.7 運用分析

車輛運行中，以心盤為支撐點，裝貨后，枕梁在垂向載荷的作用下將向下彎曲變形，而該變形將進一步加大枕梁下蓋板中產生裂紋區域局部鼓起程度，如圖9所示，這種鼓起形式正是使鼓起中部形成條形拉應力區的主要原因，組裝間隙越大，鼓起變形也越大，這也是組裝間隙越大外載下應力越大的主要原因。

2 分析匯總及結論

2.1 綜合分析

2.1.1 C70型敞車自2009年8月以來，累計已檢修了約0.6萬輛車，目前發現出現裂紋的故障車數量為40余輛，約占已段修車輛總數的0.7%，且故障車的生產廠家比較集中，結合以上的分析及試驗，該故障應屬制造質量引起的。

2.1.2 由取樣情況及裂口分析結果看，枕梁下蓋板中與中梁下翼緣下平面間的組裝間隙較大，且組裝后間隙未完全消除，運用中在垂向載荷作用下心盤與枕梁下蓋板中間有微動，造成心盤邊緣處的枕梁下蓋板中下表面有磨痕。裂口為典型疲勞裂紋，疲勞載荷方向為沿車體橫向與中梁中心方向垂直，從裂紋沿縱向擴展較長，而深度方向未裂透分析，裂紋處板質下平面應受與中梁垂直的拉應力，而上平面受壓應力。

2.1.3 有限元分析結果表明：組裝間隙的存在導致在外載作用下，裂紋區域下平面產生較大的拉應力，通長焊縫結構會使應力水平進一步提高，且在裂紋區域形成條形拉應力區，引起上述應力的外載主要為垂向載荷。

2.2 結論

2.2.1 既有C70型敞車枕梁下蓋板中產生裂紋故障是由于制造中枕梁下蓋板中與中梁下翼緣下平面間組裝間隙超差引起的，通長焊縫型式和組裝殘余應力也是引起裂紋的不利因素。

2.2.2 導致裂紋區域產生破壞的作用載荷是由垂向載荷引起的疲勞載荷和組裝過程中產生的殘余應力的雙重作用。

2.2.3 減小枕梁下蓋板中與中梁下翼緣下平面的組裝間隙、采用段焊形式及提高枕梁下蓋板中板厚均可提高裂紋區域抗疲勞能力，其中以減小組裝間隙最為有效。

2.2.4 組裝間隙滿足要求的既有車不會產生枕梁下蓋板中母材裂紋。

2.2.5 既有車產生裂紋后的焊修方案可顯著提高裂紋區域抗疲勞能力，焊修后可滿足車輛壽命期內的使用要求。

3 解決建議

通過分析了解了既有C70型敞車枕梁下蓋板中產生母材裂紋的原因，針對分析結果提出新造車改進方案和既有車解決方案。

3.1 新造車改進方案

3.1.1 增加隔板組成（枕梁處）與中梁組焊完成后，中梁下平面與隔板組成（枕梁處）下平面在組裝枕梁下蓋板組成（中）區域內的平面度要求，其平面度應不大于1mm。

3.1.2 進一步明確必須嚴格執行技術要求：枕梁下蓋板組成（中）與中梁接觸表面的拼接焊縫應平整，如有凸出時須磨平。

3.1.3 參照C64型敞車調整枕梁下蓋板組成（中）與中梁下翼緣間焊縫形式，既枕梁下蓋板組成（中）與中梁下翼緣間焊縫被枕梁下蓋板遮蓋的部分不焊。

3.1.4 明確組裝順序，組裝時應先進行上心盤鉚接，然后再進行枕梁下蓋板組成（中）與中梁的焊接。上心盤鉚接時應先鉚內側4 顆鉚釘，后鉚外側4顆鉚釘。

3.2 既有車解決方案

既有車中只有在枕梁下蓋板中與中梁下翼緣下平面間組裝間隙超差的情況下才有產生裂紋的可能，從產生裂紋車輛數量分析，間隙超差車輛較少，同時，隨著車輛運用時間的延長，產生裂紋成因之一的殘余應力會因時效性而逐漸減小，因此，建議只對產生裂紋的既有車按下述焊修方案修理。

3.2.1 焊前清理

（1）清理部位：枕梁下蓋板裂紋處。（2）清理標準：清除裂紋處及周圍20毫米內的油漆及氧化物，露出金屬光澤。（3）裂紋清除方法：首先在裂紋兩端鉆Φ10mm止裂孔，然后用角向磨光機將裂紋清除掉，修磨后的坡口須透過枕梁下蓋板組成（中）露出中梁下翼緣。（4）探傷確認：用磁粉探傷法確認裂紋已清除干凈。

3.2.2 焊接

（1）焊接材料：J556NiCrCu、Φ3.2， Φ4.0，焊前須經350～400烘干1～2小時。（2）焊接電源：采用直流電源或空載電壓高的交流電源。（3）焊接規范：Φ3.2電流100～110A， Φ4.0電流150～160A。（4）焊接層數：3-4層。（5）焊接道數：多層多道焊，數量由焊工決定。（6）焊工資質：高級焊工。

3.2.3 焊接操作要求

（1） 第一層焊縫應將枕梁下蓋板組成（中）與中梁下翼緣在坡口底部焊接在一起。（2）焊接及調試規范時應將車體與轉向架分離或可靠絕緣。（3）層間清理要干凈，防止產生夾渣。

3.2.4 焊縫質量要求

焊縫不允許存在裂紋，夾渣，氣孔，咬邊，弧坑等缺陷。

3.2.5 焊后處理

（1）焊后用角磨機將焊縫余高及周圍飛濺物去除。（2）焊后用磁粉探傷法確認焊補處無裂紋存在。（3）焊補處應補涂油漆。

參考文獻

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