重載鐵路貨車焊接構(gòu)件抗疲勞性能分析

孟 勐 趙 鵬 趙增華

（齊齊哈爾工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161000）

0 引言

本項目為滿足重載鐵路貨車提速列車編組200輛、牽引噸位3萬t重載列車的使用需要，重點(diǎn)研究重載鐵路貨車焊接構(gòu)件的抗疲勞性能。列車主要參數(shù)如表1所示。

表1 列車主要技術(shù)參數(shù)

1 重載鐵路貨車車體承受的載荷

重載鐵路貨車在行駛過程中，車體所承受的是一個連續(xù)的、隨機(jī)的力，導(dǎo)致車體焊接部位的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜。考慮到車體承受著復(fù)雜的作用載荷，在設(shè)計重載鐵路貨車車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時，需要考慮以下幾個作用載荷。

1.1 垂向靜載荷

重載鐵路貨車車體的自重和載重是作用在車體上的垂向靜載荷，通常車體的自重由車體鋼結(jié)構(gòu)和固結(jié)在車體上的其他部件重量所組成。車輛載荷（除特種貨車）取標(biāo)記載重作為車輛載重，敞車考慮雨、雪增載作用，取標(biāo)記載重的1.15倍作為車輛載重。

1.2 垂向動載荷

由車體本身狀態(tài)不良（例如車輪滾動圓偏向等）、軌道不平順、鐵路鋼軌接縫等因素引發(fā)輪軌間沖擊和車輛簧上振動而產(chǎn)生的載荷稱為垂向動載荷。

1.3 側(cè)向力

側(cè)向力是作用在車體上的風(fēng)力和離心力。在重載鐵路貨車運(yùn)行過程中，車體受到風(fēng)力的作用，當(dāng)車輛運(yùn)行在曲線區(qū)段時，假設(shè)風(fēng)從車體的側(cè)面吹來，且垂直于車體的側(cè)壁，那么此時車體所受到的側(cè)向力為風(fēng)力與離心力之和。

1.4 扭轉(zhuǎn)載荷

重載鐵路貨車在運(yùn)行過程中，呈曲線、蛇形運(yùn)動或進(jìn)出道岔等均可能使車體發(fā)生扭轉(zhuǎn)。車體的重心距離心盤面有一定高度，所以當(dāng)車體的第一個轉(zhuǎn)向架進(jìn)入緩和曲線時，后面的轉(zhuǎn)向架仍然處于平直道；或者當(dāng)車體的第一個轉(zhuǎn)向架駛出曲線時，后面的轉(zhuǎn)向架仍然處于緩和曲線，這些狀態(tài)都可能使重載鐵路貨車車體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。

1.5 縱向力

當(dāng)重載鐵路貨車的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化時，車體牽引緩沖裝置會因相鄰兩個車體間存在的速度差而產(chǎn)生縱向拉伸或縱向壓縮的作用力。這個作用力通過車體底架的板座將力傳遞到車體上，會引發(fā)車體變形。

2 重載鐵路貨車車體疲勞性能評價標(biāo)準(zhǔn)

2.1 AAR疲勞評價標(biāo)準(zhǔn)

AAR標(biāo)準(zhǔn)采用Miner線性累積損傷理論進(jìn)行疲勞計算，當(dāng)零件承受的應(yīng)力超過疲勞極限的交變應(yīng)力時，應(yīng)力每循環(huán)作用一次，都會對材料產(chǎn)生一定量的損傷。當(dāng)累積損傷之和等于1時，即可認(rèn)定出現(xiàn)疲勞破壞。

2.2 ASME疲勞評價標(biāo)準(zhǔn)

ASME標(biāo)準(zhǔn)采納了網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力法計算方法，并于2009年被歐洲列為計算標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力法又稱主S-N曲線法，是一種用來評估焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的最新方法。

2.3 兩種疲勞評價標(biāo)準(zhǔn)的比較

這兩種疲勞評價標(biāo)準(zhǔn)在計算焊縫的累積損傷時，都以Miner線性損傷累計理論作為基礎(chǔ)。AAR標(biāo)準(zhǔn)在其數(shù)據(jù)庫中提供了多種的焊縫接頭形式，且考慮了應(yīng)力比的影響和應(yīng)力循環(huán)特性，可操作性較強(qiáng)。在運(yùn)用AAR標(biāo)準(zhǔn)評估重載鐵路貨車車體焊縫疲勞壽命時，如果被評估的焊縫接頭形式與數(shù)據(jù)庫中的焊縫接頭形式吻合，那么其焊縫疲勞壽命評估就是有價值的。因此，AAR標(biāo)準(zhǔn)比較適用于新型貨車的疲勞設(shè)計。ASME標(biāo)準(zhǔn)引入了斷裂力學(xué)理論，并賦予其一個全新的概念，也就是等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力。ASME標(biāo)準(zhǔn)不僅考慮了車體焊接接頭的板厚和載荷模式產(chǎn)生的影響，還考慮到了應(yīng)力集中的影響，它是目前世界上評估車體焊縫疲勞壽命的最佳方法。由于是基于主S-N曲線數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算，不需要考慮車體焊接接頭的具體形式，因此ASME標(biāo)準(zhǔn)突破了傳統(tǒng)名義應(yīng)力法的第一個局限性，在解決工程問題上具有廣泛適用性。

3 重載鐵路貨車車體焊縫應(yīng)力集中分析

重載鐵路貨車車體的焊縫應(yīng)力集中分析和疲勞壽命預(yù)測的疲勞載荷包括車鉤縱向載荷和心盤載荷?，F(xiàn)根據(jù)設(shè)計圖紙，建立涵蓋焊縫細(xì)節(jié)的車體有限元模型。該模型可以準(zhǔn)確模擬車體焊縫處的剛度，大幅提高車體焊縫壽命的評估準(zhǔn)確性。

在焊縫的選取上，由于沒有必要對車體有限元模型上的所有焊縫都逐個進(jìn)行疲勞壽命評估，因此采用等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法中的主S-N曲線法對車體有限元模型上的任意一條焊縫進(jìn)行疲勞壽命評估。疲勞壽命評估原則是根據(jù)車體的焊接形式和車體的靜強(qiáng)度分析結(jié)果來評估車體該部位的焊縫壽命。根據(jù)車體疲勞載荷工況的有限元計算結(jié)果，通過預(yù)測平臺的主S-N曲線法模塊提取的車體各工況有限元結(jié)果節(jié)點(diǎn)力，進(jìn)一步計算出各焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力和等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，最終得到各評估焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

4 影響重載鐵路貨車車體焊縫應(yīng)力集中的因素

4.1 焊縫形狀

焊縫可以分為角焊縫和對接焊縫，角焊縫和對接焊縫的形狀很容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。

4.2 焊接接頭的幾何不連續(xù)性

焊接接頭的主要形式有對接、搭接、十字接頭和丁字形，通常在焊接接頭部位會出現(xiàn)缺陷（如裂紋、未焊透、未熔合、夾渣、咬邊等），因此在焊接過程中應(yīng)盡量避免或減少焊接接頭的幾何不連續(xù)，降低應(yīng)力集中，以提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。

4.3 焊接缺陷

焊接的主要缺陷分為面狀缺陷（如裂紋等）和體積型缺陷（如氣孔、夾渣等），而焊接缺陷的方向、種類和位置對應(yīng)力集中的影響是不同的。第一，未焊透是削弱焊接焊縫的截面面積和引起應(yīng)力集中的主要因素。第二，冷、熱裂紋等具有脆性的組織結(jié)構(gòu)，能大幅降低車體結(jié)構(gòu)或焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。第三，在焊接的過程中容易產(chǎn)生氣孔，體積型缺陷的氣孔同樣可以減少截面的尺寸，導(dǎo)致應(yīng)力集中。

5 重載鐵路貨車車體關(guān)鍵焊縫的疲勞壽命評估結(jié)果

本項目采用國際上最新的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法中的主S-N曲線法，在縱向載荷和垂向載荷共同作用下，對重載鐵路貨車車體的關(guān)鍵焊接部位進(jìn)行疲勞壽命評估。根據(jù)重載鐵路貨車車體有限元模型和疲勞載荷工況計算結(jié)果，在本項目研究的重載鐵路貨車車體上選取了39條關(guān)鍵焊縫進(jìn)行疲勞壽命評估。在疲勞強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，對重載鐵路貨車車體的39條關(guān)鍵焊縫進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。最后，根據(jù)疲勞載荷譜和重載鐵路貨車車輛的年運(yùn)行里程，對該車體的39條關(guān)鍵焊縫進(jìn)行疲勞壽命評估。根據(jù)疲勞載荷工況計算結(jié)果，按線性關(guān)系分別換算車鉤疲勞載荷、心盤疲勞載荷的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，用線性累積疲勞損傷理論求出39條焊縫的累積損傷值以及壽命里程。因為空車工況對疲勞壽命影響較小，所以本次評估只給出重車合成的疲勞壽命預(yù)測結(jié)果。車體39條關(guān)鍵焊縫的疲勞預(yù)測結(jié)果顯示，本項目研發(fā)的重車車體設(shè)計壽命里程為900萬km，焊縫總疲勞壽命為30年，可滿足重載鐵路貨車編組200輛、牽引噸位3萬t以上的使用需要。

6 結(jié)語

焊接是目前世界各國鐵路貨車構(gòu)件的主要連接方式，也是極易產(chǎn)生疲勞的部位。據(jù)不完全統(tǒng)計，世界各國鐵路貨車的疲勞事故絕大多數(shù)都發(fā)生在焊接部位。本文主要采用疲勞壽命分析方法對重載鐵路貨車車體的疲勞壽命進(jìn)行分析，希望對我國重載鐵路貨車的車體焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能分析提供一定的參考。