地鐵列車轉向架關鍵部位分析

馮勇攀

摘要：本文通過裂紋數據統計分析呈現故障頻繁部位，強度校核研究評定關鍵受力部位，動態測試分析確定振動超限及動應力集中部位，并以實際運營情況為導向，綜合評估后確認轉向架關鍵部位。對關鍵部位進行標記，納入日常檢修規程進行重點檢查，提升檢修效率，保障運營安全。

關鍵詞：轉向架;關鍵;效率

轉向架是地鐵列車最重要的部件之一，轉向架的安全運行是地鐵列車實現安全運營的必要條件。長期以來，由于設計、制造缺陷及線路運營狀況惡化的原因，轉向架部件（非緊固件）裂紋故障日益嚴重。為防止裂紋故障造成重大安全事故，運營企業投入大量資源對轉向架進行日常檢修，保障安全。然而，由于轉向架結構復雜、檢修任務重及檢修人員技能差異等因素的影響，轉向架裂紋時常未能及時處理并繼續上線運營，或者出現嚴重開裂甚至斷裂故障后才被發現，正線掉物事件時有發生，檢修效率低并存在嚴重安全隱患。

本文通過裂紋數據統計呈現故障頻繁部位，強度校核研究評定關鍵受力部位，動態測試分析確定振動超限及動應力集中部位，并以實際運營情況為導向，綜合評估后確認轉向架關鍵部位。對關鍵部位進行標記，納入日常檢修規程進行重點檢查，有效克服轉向架結構復雜、檢修任務重及檢修人員技能差異等因素的影響，提升檢修效率，保障運營安全。

本文的分析案列是兩種國內普遍使用的80km/h地鐵列車轉向架，一是中車株洲電力機車有限公司ZMA080型轉向架，二是中車長春軌道客車股份有限公司CW4000型轉向架。數據統計時間段2010年-2016年，2017-2018年陸續完成標記工作，跟蹤分析至今運用情況良好。詳細如下：

一、裂紋數據統計

本次統計的裂紋為探傷和日常檢修發現的裂紋。探傷包括架大修和日常周期探傷，發現裂紋占總數85%以上。目前轉向架部件探傷方法普遍使用超聲波探傷、磁粉探傷及滲透探傷，以上三種探傷方法可對裂紋進行準確的定性檢測^[1]。

統計的裂紋數據共274處，裂紋長度范圍13-100mm，分布于轉向架七大部件14個部位。根據統計的裂紋次數規律，ZMA080型轉向架裂紋頻繁部位集中于信號天線支座、支架焊縫，構架橫側梁焊縫、齒輪箱吊座焊縫等;CW4000型轉向架集中于信號天線支座、支架焊縫，構架側梁弧形部位焊縫、電機安裝座，軸箱箱體一系簧安裝座等。

二、強度校核研究

本次研究收集強度校核報告共36份。強度校核普遍通過ANSYS或ABAQUS有限元分析軟件建立有限元模型，按照UIC615-4標準輸入工況計算各點應力值，根據應力值進行靜強度和疲勞強度校核。

報告中靜強度校核標準：對于超常工況下，各點計算應力均不得大于材料的屈服強度極限。實際就是按照傳統安全系數法進行校核，屈服強度極限與計算應力比值稱為安全系數，安全系數≥1視為安全。然而，安全系數的值難以確定，并且不能評定部件的安全性有多大程度的保證。同時，按照傳統安全系數法設計出的部件其壽命周期內仍有大量失效，第一節中裂紋統計可體現。

若從部件設計角度分析，以概率論為理論基礎的結構可靠性設計方法比傳統的安全系數法更為安全，能很好的保證部件的可靠性和質量^[2]。因此，根據結構可靠性設計方法，結合轉向架部件結構的復雜性，應力和強度分布較為離散，安全系數綜合上浮至1.6，有效提升可靠性，即靜強度校核中安全系數小于1.6的部位可評定為靜強度關鍵受力部位。

疲勞強度校核標準：計算出的各點平均應力、應力最大及最小值按Goodman 疲勞極限圖進行評定。疲勞強度校核中極限臨界點所在部位可評定疲勞強度關鍵受力部位。根據上述取值方式，結合疲勞強度校核是模擬正常運營工況下進行的，因此安全系數綜合上浮至1.2即可。

三、動態測試分析

動態測試主要是對頻繁發生裂紋故障的部位或者安裝頻繁發生故障部件（如牽引電機）的部位進行的振動加速度和動應力測試，是對故障原因查找與確認，以及對強度校核的驗證。由于現場條件的限制，測試的部位具有局限性，主要集中在信號天線支座支架、構架及軸箱等部件。

本次分析主要以青島四方車輛研究所有限公司、鐵道部產品質量監督檢驗中心及西南交通大學的現場動態測試為依據。三家單位測試所采用的測試設備、系統及數據處理方法均有不同，但均遵循較高的標準，測試內容大同小異。因此，綜合三家單位的測試結果可準確的反應實際運營情況。

根據轉向架部件技術資料及相關標準^[3]，振動加速度極限綜合取值（g=9.81m/s²）：信號天線支座支架不應大于垂19g橫16 g縱13g，電機安裝座不應大于垂6g橫5g縱4g，齒輪箱吊座不應大于垂11g橫11 g縱7 g，軸箱不應大于垂60g橫25g縱25g。若實際測試值超過極限值，則該部位評為振動超限部位，并作為裂紋擴散速度評估依據。

本節動應力疲勞校核標準與第二節中疲勞強度校核標準一致，不同是本節動應力數據是實際測量數據。疲勞強度校核中極限臨界點所在部位可評定為動應力集中部位，安全系數綜合上浮至1.3（考慮實際誤差提升安全系數標準）。

四、綜合評估

綜上分析得出的結果，裂紋故障頻繁部位、強度校核關鍵受力部位、動態測試振動超限及動應力集中部位基本一致但并不完全一致，這是理論和實際差距的體現，也是不可避免的理論誤差。因此，綜合評估并不能均衡的衡量三方面的因素。

基于三方面因素的影響，結合裂紋擴散速度及斷裂可能性，以實際運營情況為導向，確定以下評分標準進行關鍵部位評估：

（一）裂紋評估得分：裂紋次數×0.2;

（二）動態測試評估得分：振動超限部位+0.25、動應力集中部位+0.25;單項未測試以另外一項測試結果為準，可累加;兩項未測試，則以強度校核評估得分為準;

（三）強度校核評估得分：靜強度關鍵受力部位+0.2、疲勞強度關鍵受力部位+0.2;不與動態測試累加評分，以動態測試評分為優先;單項未校核以另外一項校核結果為準，雙項未校核及動態未測試以裂紋評估得分為準，可累加;

（四）裂紋擴散速度評估得分：迅速+0.4、中等+0.1;

（五）斷裂可能性評估得分：很可能+0.6、比較可能+0.3、不太可能+0.1;

若五項得分相加的總得分≥1，則評估為關鍵部位。通過計算，確定以下20處部位為轉向架關鍵部位，詳見表1。

通過對關鍵部位進行標記，納入日常檢修規程進行重點檢查，部分現場標記詳見圖1。其中信號天線支座、支架由于所有焊縫判定為關鍵部位，無需標記重點檢查;輪對踏面無需標記重點檢查。

五、結論

本次關鍵部位分析對深圳地鐵80km/h轉向架檢修有重要的意義，提升檢修效率，有效保障運營安全。目前，已使用同樣的分析方法評估120km/h轉向架關鍵部位，全面提升效率。并且，對于新建線路及增購列車同類轉向架，已要求廠家出廠時按同樣要求進行標記。

同時，分析還對以下三個方面工作產生積極意義：有助于轉向架部件故障自動檢測技術的準確應用;驗證目前無損探傷部位有效性，同時為新增的預防性探傷提供依據;為智慧運維項目的推行提供強有力的支持。

參考文獻

[1] 周樂，張志文.無損檢測及其新技術[J].重慶工學院學報，2006（08）：46-48.

[2] 劉玉娟.結構可靠性設計與安全系數法的分析與比較[J].現代雷達，2015，37（01）：74-77.

[3] EN13749-2005、IEC61373-2010

（作者單位：深圳市地鐵集團有限公司運營總部）