廣州地鐵廣佛線列車扭桿座和鋼索座裂紋原因分析及改進措施

李智勇

（廣州市地下鐵道總公司運營事業總部，廣東 廣州510000）

1 提出問題

扭桿座和鋼索座同為一個座（圖1），吊座為鋁合金材料，位于轉向架兩側上方，通過焊接方式與車體連接，抗側滾扭桿和安全鋼索通過螺栓的形式安裝在吊座上。目前廣佛線列車安全鋼索因車底異響問題已全部被拆除。

圖1 扭桿座和鋼索座

廣佛線開通以來，列車抗側滾扭桿座（簡稱扭桿座）和安全鋼索座（簡稱鋼索座）裂紋問題一直存在，隨著列車運營時間加長，吊座裂紋的數量逐漸增多，嚴重程度也逐漸加深。

抗側滾扭桿和安全鋼索屬于列車車底懸掛部件，其安裝座存在裂紋，列車正線運營時吊座存在脫落的風險，若扭桿座和鋼索座脫落于正線，小則導致清客救援，大則會出現列車脫軌等運營事故。因此，扭桿座和鋼索座裂紋問題亟待解決。

2 原因分析

2.1 鋼索座裂紋原因分析

從鋼索座裂紋情況（圖2）分析，其分為母材裂紋和焊縫裂紋2種，且絕大多數是母材裂紋，而母材裂紋絕大多數發生在螺栓孔周圍。以下從動應力、鋼套安裝和螺栓預緊力3個方面來分析鋼索座產生裂紋的原因。

圖2 鋼索座裂紋情況

2.1.1 動應力導致裂紋

列車正常運營時鋼索座可能因受力過大或小應力長期積累使其結構出現疲勞破壞，最后導致斷裂。為此，我們邀請了北京交通大學對扭桿座和鋼索座進行了正線動應力測試，測試列車運營時吊座關鍵部件的動應力。具體測點如圖3所示。

根據測試結果進行分析，列車在正常運行狀態下，扭桿座及鋼索座上各測點的動應力幅值均較低。雖然無較大的動應力，但小應力循環卻較頻繁。結構的疲勞破壞是一個疲勞損傷不斷累積直至最后斷裂的過程，低于疲勞極限的應力水平對于結構損傷也可產生顯著影響。因此，必須考慮小應力對車輛結構疲勞損傷的貢獻。

圖3 抗側滾扭桿座及鋼索座測點布置圖

北京交通大學采用等效應力幅值來分析吊座在運營條件下的疲勞強度。假如列車運營30年，每年運營12萬k m，能運營360萬k m，通過計算，便可得出廣佛線車體抗側滾扭桿座及鋼索座應力測點對應運行360萬k m后的等效應力幅值。經計算，鋼索座上各測點的動應力幅值均較低，該座上焊縫部位的最大等效應力幅值小于該類焊縫的許用疲勞極限，母材處的等效應力幅值也遠遠低于其許用疲勞極限。因此，鋼索座疲勞強度滿足要求，運營時吊座的受力不是鋼索座產生裂紋的原因。

2.1.2 鋼套安裝導致裂紋

鋼索座的鋼套與鋼索座的內孔是過盈配合［鋼索座的內孔公差35（0，－0.07）；鋼套35（＋0.165，＋0.115）］，由于鋼索座的加工型材本身硬度較高，延展率不是很好，受材料本身影響，二者配合后，在壓裝過程中可能產生脹裂，運營后出現裂紋。

2.1.3 螺栓預緊力過大導致裂紋

鋼索座在列車運行過程中，正常狀態下幾乎不承受外加載荷，為了解其開裂的原因，必須考慮鋼索座在螺栓預緊扭矩下產生的應力影響。因此，北京交通大學在夏南車輛段完成了鋼索座關注點螺栓預緊扭矩下的應力測試，圖4為現場測試照片。

圖4 鋼索座在螺栓預緊扭矩下的應力測試

鋼索座螺栓預緊扭矩為370 N·m，在此下測試鋼索座各測點的應力，預緊下的應力測試共進行了3次，圖5指出了鋼索座上關注的測點位置，表1列出了各測點在預緊扭矩下的應力值。為比較不同扭矩下的應力結果，將鋼索座螺栓預緊扭矩設置為280 N·m，重點對測點GF22和孔邊進行應力測試。

圖5 鋼索座預緊扭矩下的應力測試點

表1 鋼索座螺栓預緊扭矩下的應力測試結果

由表1可見，在370 N·m預緊扭矩作用下，測點GF22的應力值已經非常接近或超過車體抗側滾扭桿座及鋼索座用材（鋁材7005－T6）焊縫處的強度極限（210 MPa，該數據為主機廠提供），孔邊應力（測點GF25）已經比較接近或超過母材的屈服極限（290 MPa，該數據為主機廠提供）。因此推測鋼索座的開裂很可能是由于預緊力作用下產生的應力過高引起的，雖然后期按照標準調整了預緊力大小或拆除了安全鋼索，但鋼索座已經達到了屈服極限，可能會逐漸產生裂紋。

2.2 扭桿座裂紋原因分析

扭桿座的裂紋基本都出現在長方孔周邊，如圖6所示，內外側都有且靠近焊縫區域。以下從吊座的材質、設計、制造及焊接工藝3方面來分析。

圖6 扭桿座裂紋情況

2.2.1 扭桿座材質問題

扭桿座的材質為7005－T6，是擠壓鋁型材，該材料硬度較高，延展性不是很好，如果原材料鋁錠本身存在部分缺陷，該缺陷可能會帶到擠壓出的型材中，進而對扭桿座的局部產生影響，可能導致裂紋。

2.2.2 設計問題

設計時可能對扭桿座在實際運營（A W3）過程中、在最惡劣的運營工況下的實際受力把握不準，導致扭桿座的受力設計值低于實際受力值，在此情況下設計扭桿座的結構及尺寸，其靜強度和疲勞強度必然無法滿足列車正常的運營需要，列車運營一段時間后扭桿座便會出現裂紋，因此之后新設計的扭桿座結構和尺寸才有所變化。

2.2.3 制造和焊接工藝問題

為了進一步分析出扭桿座裂紋原因，將4塊有裂紋的吊座切割下來，交給長客廠理化實驗室分析，發現扭桿座的原始裂紋源產生的位置有2處，一是長方孔內側下部接近外端的內圓角區域（圖7，箭頭示裂紋源位置），金相檢測表明裂紋源區附近和裂紋擴展途徑上局部有因夾雜引起的沿晶裂紋；二是底板正面的凹形孔兩側附近區域（圖8，箭頭示裂紋源位置），金相檢測到局部因縮孔、夾雜引起的沿晶分布裂紋。

圖7 未開裂裂紋斷口形貌

圖8 斷口上裂紋源區形貌

因此，扭桿座裂紋是由材料內部存在縮孔和夾雜物引起，而材料內部的縮孔和夾雜物是由于制造工藝與材料不匹配導致。所以，扭桿座的制造工藝問題可能導致其裂紋。

此外，裂紋離焊接區域較近，若焊接工藝不良，就有一定幾率出現焊接缺陷，焊縫區域可能存在較大的殘余應力，應力釋放時會對焊縫和母材產生較大的影響，進而產生裂紋。

3 改進措施

廣佛線列車上吊座必須全部更換，但是更換成原來舊型吊座不能從本質上解決吊座裂紋問題，因此必須設計新型吊座來替換原來的吊座。通過以上吊座裂紋原因分析，新型吊座必須在材質、結構尺寸和制造工藝上有所改進。

3.1 改變材質

新型吊座的材質由原來的7005－T6鋁型材變為6082－T6鋁型材。6082－T6屬熱處理可強化合金，具有良好的可成型性、可焊接性、可機加工性。機械性能按EN755－2中的6082－T6要求執行，化學成分按EN573－3中規定的6082－T6要求執行。

3.2 改變尺寸

新型吊座的扭桿座兩側壁厚在舊型吊座的基礎上增加了15 mm，如圖9所示。通過對新型扭桿座的靜強度及疲勞強度進行分析計算，結果滿足強度要求。

圖9 新型吊座

4 結語

廣佛線列車抗側滾扭桿座和安全鋼索座裂紋是由材質、設計、制造工藝等多方面原因引起的，現已設計出新型吊座用來替換。目前為止已經更換了130多個吊座，所更換的新型吊座未出現裂紋，預計2014年將完成廣佛線所有列車所有吊座的更換，提高列車運營質量。

［1］王文靜.廣州地鐵扭桿座及鋼索座動應力測試與疲勞強度分析報告［R］.北京交通大學，2011