客車車架開裂原因分析

吳軍座

蘇州華碧微科檢測技術有限公司 江蘇省蘇州市 215024

1 引言

客車作為目前全世界最重要的交通運輸工具，具有載運能力強，運送便捷，成本低廉等特點，被作為城市公共交通，中短途客運以及中、小學校接送學生的首要選擇；客車的使用頻率高，用途廣泛，運載的乘坐人員多，因此其設計、制造及使用的安全性和可靠性也日益受到重視和關注。客車設計和制造質量的優劣，對于車輛在使用過程中的安全性和可靠性具有決定性的意義，客車的安全性直接關系到乘坐人員的生命安全和財產安全，因此，對于客車的設計、制造和使用應該具有更加嚴格的管控，對于客車安全性的研究更顯得重要，為此，本文對某型號客車在使用過程中車架開裂的原因進行了深入的分析，探明車架開裂的原因，并對車架進行了局部結構的優化。

2 試驗材料與方法

車輛右側縱梁開裂，開裂部位距車架最前端約1380mm，開裂處的宏觀形貌特征如圖1所示。裂紋由下翼面（下翼面與車架加強肋板斜尖角焊接部位）經腹板延伸至上翼面。經測量，開裂部位車架下翼面鋼板厚度約為5.09mm，并且車架下翼面開裂部位存在直徑約為8mm的圓孔；檢查車輛左側縱梁（與右側縱梁開裂部位相同位置）如圖2所示，未見下翼面存在開孔現象，未見相同位置存在車架開裂現象。檢查發現車輛車架開裂部位腹板外側（腹板靠近上翼面部位）存在補焊鋼板現象，裂紋沿焊縫的熱影響區域擴展。

對開裂的車架進行取樣、制樣，并進行化學成分檢測，材料拉伸性能檢測以及斷口的微觀形貌觀察分析。

3 試驗結果

3.1 化學成分分析

對開裂車架分別取兩處不同部位進行化學成分檢測，結果見表1。由表1可知，其化學成分符合GB/T 3273-2005《汽車大梁用熱軋鋼板和鋼帶》中440L、510L及550L的要求。

3.2 材料拉伸性能試驗

對開裂車架分別取兩處不同部位進行材料拉伸性能試驗，結果見表2。由表2可知，其拉伸性能符合GB/T3273-2005《汽車大梁用熱軋鋼板和鋼帶》中510L及550L的要求。

3.3 斷口分析

由車架開裂部位斷口的宏觀形貌可知，裂紋由下翼面經腹板逐漸延伸至車架上翼面，如圖3所示。對車架開裂部位分別標示下翼面斷口部位為a區域，腹板中部斷口部位為b區域，分別對a區域、b區域進行斷口微觀形貌觀察、分析，如圖4所示，a區域處微觀形貌為解理形貌，b區域處微觀形貌為韌窩形貌，即裂紋起源于下翼面位置，并向腹板中部擴展，裂紋源處為解理形貌，擴展區及最后斷裂處為韌窩形貌。

表1 化學成分分析檢測結果（wt%）

表2 材料拉伸試驗

4 有限元仿真分析

為了更近一步探明車架在同樣載荷狀態和約束條件下車架應力的分布，并對車架開裂部位進行局部優化，采用有限元分析方法，對車架進行建模，分析在同一載荷以及約束條件下車架下翼面開孔及加強肋板存在斜尖角狀結構與車架側面封閉，車架下翼面取消開孔狀態時其應力分布，如圖5所示。仿真結果表明，車架下翼面與加強肋板斜尖角部位焊接，下翼面開設圓孔時，加強肋板下邊緣及下翼面圓孔部位有明顯應力集中現象；當車架縱梁側面封閉，車架下翼面取消開孔時，車架在原開裂部位無明顯應力集中現象。

5 結果分析

由車架的宏觀形貌特征分析可知，車架裂紋由下翼面經腹板逐漸向車架上翼面延伸，左、右車架縱梁在開裂位置存在明顯不同的結構，右側縱梁開裂部位存在下翼面與車架加強肋板焊接后的斜尖角狀結構及下翼面開孔結構，導致車架存在應力集中區域。

由材料的化學成分及拉伸性能試驗結果可知，車架的化學成分和力學性能符合標準對于車架材料的要求。

由斷口分析可知，車架裂紋起源于下翼面位置，并向腹板中部擴展，微觀斷口存在解理形貌特征和韌窩形貌特征。

由有限元仿真分析可知，車架下翼面與車架加強肋板焊接后的斜尖角部位，下翼面開設圓孔部位有明顯應力集中現象；當車架縱梁側面封閉，車架下翼面取消開孔時，車架在原開裂部位無明顯應力集中現象。

由以上綜合分析可知，車架下翼面開孔及加強肋板與下翼面結合部位為斜尖角狀結構，造成該部位應力集中，導致車架承載能力下降并致車架開裂。

6 結論及建議

（1）本文對某型號客車車架的開裂原因進行了綜合分析，主要原因為車架結構存在應力集中區域，導致其承載能力下降并致車架開裂。（2）車架是車輛的重要組成部分，在車輛設計和使用過程中都起到了至關重要的作用，車架在設計和工藝處理時，應盡量減少可能造成應力集中的區域，嚴格按照國家標準對于車架的設計和生產要求執行，避免車架因設計和工藝處理過程中的結構缺陷導致安全性降低。