基于斷口分析的機(jī)車鑄造牽引座焊后疲勞失效機(jī)制研究

中圖分類號：U270 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Fatigue Failure Mechanism of Locomotive Casting Traction Seat After Welding Based on Fracture Analysis

Zhu Tao'，Qi Hongrui2，Tai Wanqiu2，Zhang Fan'，Wang Chao'，Xiao Shounel （1.State Key LaboratoryofRailTansit Vehicle System，Southwest Jiaotong University，Chengdu61oo31，China; 2. CRRC Datong Co.，Ltd.，Datong 037038，China）

Abstract： Aiming at the problem of high crack rate in key positions of cast traction seats for railway locomotives during long-term service，a study was conducted on the post-weld fatigue failure mechanism at key positions of cast traction seats based on fracture analysis.Firstly，a experimentallyvalidated finite element model of the tractionseat was established，and it was determinedthat thereisasignificantstressconcentrationareaat the large arc of the base of the traction seat under standard traction braking loads.Then，a high cycle fatigue test was conducted on the traction seat based on the standard load spectrum，reproducing the initiation and propagation process of macroscopic cracks in the stress concentration area. Finally，fracture analysis，scanning electron microscopy （SEM） observation，metallographic examination，and energy dispersive spectroscopy （EDS） were performed on the fatigue crack failure area，indicating the presence ofobvious welding repair marksand heat-treated microstructure in the crack area.Theresearch results indicate that the fatigue cracking failure of the traction seat is the result of the combined effect of stressconcentration at the base arcand defects introduced by welding repair. It is important to focus oncontrolling the casting qualityat the large arc of the baseand avoid welding repairs.The research can provide theoretical guidance for the safe and eficient operation ofrailway freight and the maintenance and repairof parts.

Key Words： locomotive casting traction seat; high cycle fatigue test; fracture analysis; fatigue failure

Citation format： ZHU T， QI HR，TAI W Q，et al. Research on fatigue failure mechanism of locomotive casting traction seat after welding based on fracture analysis[J].JournalofEast China Jiaotong University，2O25，42（4）： 29-36.

重載列車有著載重大、編組輛數(shù)多的特點(diǎn)，在鐵路貨運(yùn)系統(tǒng)中有著優(yōu)勢。目前，貨運(yùn)鐵路也朝著高軸重，多編組的方向發(fā)展。機(jī)車作為貨運(yùn)列車的動(dòng)力來源，在日常運(yùn)行中會(huì)經(jīng)歷較為頻繁的牽引啟動(dòng)和制動(dòng)過程，車鉤、牽引裝置、拉桿座等此類縱向承載部件會(huì)產(chǎn)生巨大的縱向載荷波動(dòng)，增加了牽引裝置斷裂失效、裂紋萌生擴(kuò)展而導(dǎo)致的疲勞失效等安全隱患。

針對此類縱向承載部件，許多研究學(xué)者對其進(jìn)行了大量的可靠性研究。張志超等3對重載機(jī)車鉤緩裝置在不同運(yùn)行線路上的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并針對車鉤分離等安全性問題提出了解決方案。徐京濤等針對重載貨車常用車鉤設(shè)計(jì)了一種更為便捷準(zhǔn)確的車鉤強(qiáng)度計(jì)算分析方法，為服役部件的可靠性計(jì)算提供了新的理論思路。范云鵬等依據(jù)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對機(jī)車牽引裝置進(jìn)行了強(qiáng)度評估，并對比了不同邊界條件對計(jì)算結(jié)果的影響。米立柱等使用有限元方法對和諧號HXD2機(jī)車牽引裝置結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行了校核研究，并給出了應(yīng)力集中部位。馬呈祥等針對機(jī)車轉(zhuǎn)向架拉桿座角焊縫疲勞失效問題進(jìn)行了分析研究，通過斷口分析、硬度測試和有限元仿真等方法獲取了角焊縫的疲勞失效機(jī)理。王偉等針對經(jīng)常出現(xiàn)失效的牽引拉桿座問題，對其三維模型在超常工況下進(jìn)行了有限元強(qiáng)度計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了牽引拉桿座結(jié)構(gòu)存在的嚴(yán)重問題，并給出了優(yōu)化方案。

由于鑄造工藝在生產(chǎn)形狀復(fù)雜、體積較大且產(chǎn)量較大的零部件時(shí)具有天然優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天[9-10]軌道交通[1-13]和工程橋梁[14-16]等領(lǐng)域。然而，鑄造工藝不可避免地會(huì)產(chǎn)生鑄造缺陷，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命，可以考慮通過焊接工藝對鑄造缺陷進(jìn)行修復(fù)。許章華等等對經(jīng)TIG焊修復(fù)后的鑄造組織進(jìn)行了疲勞性能測試和顯微組織分析，發(fā)現(xiàn)合適的焊接修復(fù)工藝可以有效克服鑄造缺陷對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。王家鑫等[8等針對轉(zhuǎn)向架齒輪箱吊座經(jīng)常出現(xiàn)鑄造缺陷而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的現(xiàn)象，驗(yàn)證了使用焊接修復(fù)工藝消除鑄造缺陷的可行性。

HXD2型“和諧號\"電力機(jī)車牽引座作為車輛大型縱向承載部件之一，同樣使用鑄造工藝制造，在生產(chǎn)過程中，通過焊接工藝對鑄件表面的可見鑄造缺陷進(jìn)行消除。其鑄造材料選用鑄造E級鋼[19]ZG25MnCrNiMo，化學(xué)成分包括：碳 0.26% ，硅0.36% ，錳 1.40% ，硫 0.02% ，鉻 0.5% ，鎳 0.45% ，鉬0.25% ，銅 0.20% ，磷 0.03% 以及大量的鐵元素。該牽引座在服役200萬 km 后檢修發(fā)現(xiàn)裂紋率高達(dá)50% ，裂紋主要分布在底座圓弧處和牽引座頭部位置，這些部位通常存在焊修行為，為服役結(jié)構(gòu)的疲勞失效提供了更多可能。目前針對焊后鑄件的失效分析案例還不多，對此，本文針對經(jīng)焊修后的鑄造牽引座發(fā)生疲勞失效的現(xiàn)象進(jìn)行了失效機(jī)制研究，期望可為鐵路貨運(yùn)的安全高效運(yùn)營和零部件的維護(hù)檢修提供理論指導(dǎo)。

1機(jī)車牽引座結(jié)構(gòu)和有限元計(jì)算

1.1機(jī)車牽引座結(jié)構(gòu)

機(jī)車采用中央推挽式牽引裝置，結(jié)構(gòu)相對簡單。如圖1所示，該裝置主要由牽引桿、牽引座及連接銷軸連接組成，牽引桿與機(jī)車轉(zhuǎn)向架相連，牽引座通過底部的螺栓與車體相連。牽引座作為該結(jié)構(gòu)核心鑄造件，主要承受車輛縱向傳遞的牽引力和制動(dòng)力。參考相關(guān)文獻(xiàn)，表1給出了鑄造E級鋼[19]的材料基本力學(xué)性能，作為后續(xù)進(jìn)行有限元計(jì)算的初始輸入。

圖1牽引裝置幾何結(jié)構(gòu)

表1鑄造E級鋼的基本力學(xué)性能

Tab.1 Basic mechanical properties of cast grade E steel

1.2三維模型的建立

對牽引座結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模時(shí)，嚴(yán)格遵循ISO8855車輛坐標(biāo)系標(biāo)準(zhǔn)建立正交笛卡爾坐標(biāo)系系統(tǒng)。有限元模型由實(shí)體單元、質(zhì)量單元、螺栓緊固單元、剛性單元組成。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率，網(wǎng)格采用尺寸為 4mm 的四面體實(shí)體單元網(wǎng)格，單元類型為Solid185；各部件之間使用剛性單元CERIG進(jìn)行連接；使用RBE單元模擬實(shí)際載荷的加載區(qū)域。最終的有限元模型網(wǎng)格總數(shù)為1039879個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為219237個(gè)。

機(jī)車牽引座的邊界載荷條件參考EN12663-12010中的標(biāo)準(zhǔn)牽引制動(dòng)力，最終確定牽引載荷為285kN ，制動(dòng)載荷為 200kN 。對牽引座結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析時(shí)，約束住牽引座與底板螺栓連接位置，在拉桿遠(yuǎn)端施加牽引制動(dòng)載荷，牽引座有限元模型和邊界條件如圖2所示。

1.3仿真結(jié)果分析

圖3給出了牽引座在牽引、制動(dòng)工況下的Von-

Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。結(jié)果顯示，機(jī)車鑄造牽引座在牽引工況下的最大應(yīng)力為 119.37MPa ，在制動(dòng)工況下的最大應(yīng)力為 83.77MPa ，兩種工況下的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖2牽引座有限元模型 Fig.2Finite element modeloftractionseat

圖3各載荷下牽引座VonMises應(yīng)力分布 Fig.3VonMisesstressdistributionoftractionseat underdifferentloads

通過應(yīng)力分布結(jié)果可以看到，在兩種工況下，牽引座底座4個(gè)大圓弧處都出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，這為疲勞裂紋的萌生提供了有利條件。盡管在兩種工況下的最大應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度，但在長期交變載荷作用下，這些應(yīng)力集中區(qū)域仍會(huì)成為疲勞裂紋最主要的萌生源。

1.4有限元模型的驗(yàn)證

有限元計(jì)算結(jié)果明確了牽引座在牽引、制動(dòng)載荷下的應(yīng)力分布規(guī)律，為結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)薄弱位置的確定提供了理論依據(jù)。然而，數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性仍需要通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證，因此本研究對服役牽引座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)。圖4給出了靜強(qiáng)度試驗(yàn)過程中的測點(diǎn)位置。

圖4靜強(qiáng)度試驗(yàn)的測點(diǎn)布置 Fig.4 Arrangement of measuringpoints for staticstrengthtest

模擬載荷實(shí)際傳遞路徑，對牽引座施加 + 285kN/-200kN 作用力模擬實(shí)際服役載荷，兩種工況下各施加3次作用力，分別采集測點(diǎn)處的應(yīng)變數(shù)據(jù)并計(jì)算均值以減小誤差，與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，得到結(jié)果如圖5所示。最大誤差為 7.52% ，表明仿真模型和試驗(yàn)具有較好的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2牽引座疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1高周疲勞試驗(yàn)

牽引制動(dòng)載荷在預(yù)測極端重載作業(yè)場景下的疲勞壽命起著重要作用，牽引座作為機(jī)車關(guān)鍵縱向力承載件，在長期承受交變沖擊載荷作用下極易發(fā)生疲勞失效。因此，研究牽引制動(dòng)載荷下牽引座的疲勞失效有著重要意義。如圖6所示，鑄造牽引座高周疲勞試驗(yàn)在水平單軸振動(dòng)臺上進(jìn)行，對其以牽引制動(dòng)載荷進(jìn)行加載，載荷譜幅值為 +285kN/-200kN ，加載頻率為 1.5Hz 。

圖5各載荷下仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比 Fig.5Comparisonofsimulationresultsand experimentaldata

圖6高周疲勞試驗(yàn)現(xiàn)場 Fig.6Highcyclefatiguetestsite

2.2試驗(yàn)結(jié)果

高周疲勞試驗(yàn)中，在牽引座底座圓弧表面首先監(jiān)測到了宏觀裂紋，裂紋符合I型張開型裂紋特征并具有明顯的裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象。表2給出了不同表面宏觀裂紋長度對應(yīng)的載荷循環(huán)次數(shù)。當(dāng)載荷循環(huán)至261萬次時(shí)，裂紋已擴(kuò)展至長度為 143mm 。如圖7所示，此時(shí)裂紋擴(kuò)展速率明顯下降，這是裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致應(yīng)力釋放且裂紋離開應(yīng)力集中區(qū)域?qū)е碌摹?/p>

表2裂紋長度對應(yīng)的載荷循環(huán)次數(shù)

Tab.2 Number of load cycles corresponding to the crack length

圖7牽引座表面宏觀裂紋 Fig.7 Macroscopiccracksonthesurfaceof the traction seat

3斷口分析

3.1宏觀斷口形貌

為深人分析牽引座出現(xiàn)裂紋的原因，在裂紋區(qū)域進(jìn)行取樣，以便對斷口進(jìn)行分析。將試樣沿?cái)嗫诜珠_，浸入酒精溶液進(jìn)行超聲波清潔后烘干，得到裂紋宏觀形貌（圖8）。可以觀察到在疲勞斷口明顯存在與基體不同的焊接修復(fù)組織區(qū)域，這部分組織有著比鑄造母材更為粗大的晶粒。此外，在斷口發(fā)現(xiàn)了較嚴(yán)重的尖銳裂紋，這表明在焊接修復(fù)過程中存在焊接工藝不當(dāng)、焊接參數(shù)不合理等問題，導(dǎo)致焊接缺陷的產(chǎn)生，最終成為結(jié)構(gòu)疲勞失效的主要原因。

圖8疲勞斷口宏觀圖

3.2微觀斷口形貌

使用國儀量子CIQTEKSEM5000對試樣斷口表面的微觀圖像進(jìn)行采集，得到的SEM電鏡微觀圖像如圖9所示。

（a）母材中夾雜的焊接修復(fù)組織

（b）疲勞裂紋條帶

（c）焊接修復(fù)組織局部放大圖

Fig.8Macroscopicviewoffatiguefracture

（d）裂紋擴(kuò)展區(qū)局部放大圖

圖9疲勞斷口微觀圖

Fig.9 Microstructure of fatigue fracture

焊修后的粗大晶粒會(huì)降低材料的韌性和抗疲勞性能，使得牽引座在交變載荷作用下更容易產(chǎn)生疲勞裂紋萌生。通過圖9（a）能夠觀察到鑄造母材中夾雜的焊接修復(fù)組織，經(jīng)過局部放大后能夠明顯觀察到焊修組織的粗大晶粒，如圖9（c）所示。此外，在斷口處還發(fā)現(xiàn)了光滑的裂紋擴(kuò)展區(qū)，如圖9（b）所示，其整體表現(xiàn)為放射狀的疲勞條帶特征[20]，將此處組織在更高倍鏡下展示，如圖9（d所示，可以看到這一母材組織形態(tài)與焊修組織形態(tài)有著巨大差異。

3.3金相分析

為進(jìn)一步探究各區(qū)域的組織分布情況，對疲勞斷口處進(jìn)行金相試驗(yàn)。將試樣垂直于斷口方向切開，對切開后新的斷口進(jìn)行打磨拋光，并對表面進(jìn)行腐蝕，置于金相顯微鏡下，采集圖像如圖10～圖11所示。

圖10中發(fā)現(xiàn)4種不同的組織區(qū)域，其中區(qū)域I是熱處理區(qū)，區(qū)域Ⅱ是焊接修復(fù)區(qū)，區(qū)域Ⅲ是熱影響區(qū)，區(qū)域N是鑄造母材區(qū)。可見牽引座底座圓弧處在焊接修復(fù)后進(jìn)行了熱處理工藝，此處晶粒細(xì)化有助于提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖10金相組織圖

Fig.10 Metallographic structure diagram

圖11金相組織圖-局部

Fig.11Metallographicorganizationdiagram-local

3.4EDS分析

通過能量色散譜分析可以獲取材料組織的化學(xué)元素含量和空間分布情況[2，為探究焊接修復(fù)區(qū)域和鑄造母材成分的差異，對二者分別進(jìn)行了能量色散譜分析（EDS），其結(jié)果如圖12所示。

對比兩個(gè)區(qū)域成分含量，可見相較于基體，焊接修復(fù)區(qū)域的氧原子含量有明顯的提高，表明該區(qū)域在裂紋生長過程中經(jīng)歷了嚴(yán)重的氧化反應(yīng)。此外，焊接修復(fù)過程中通過焊材引入了過量的錳和硅元素，導(dǎo)致焊接修復(fù)區(qū)域的錳、硅元素含量明顯高于鑄造E級鑄鋼的規(guī)范要求，進(jìn)一步說明此處經(jīng)歷了焊接修復(fù)。

3.5疲勞失效原因分析

在交變載荷作用下，牽引座底座大圓弧出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，這為疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展提供了驅(qū)動(dòng)力。然而，由焊接修復(fù)引入的尖銳裂紋等焊修缺陷在牽引座疲勞失效過程中也起到了至關(guān)重要的作用。在二者的共同作用下，牽引座底座圓弧處首先產(chǎn)生疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展現(xiàn)象，最終導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的開裂失效。

4結(jié)論

本文通過對機(jī)車鑄造牽引座的有限元仿真、高周疲勞試驗(yàn)和斷口分析，研究了牽引座在牽引制動(dòng)載荷下的失效機(jī)制，取得了以下主要結(jié)論。

1）通過對機(jī)車鑄造牽引座模型進(jìn)行有限元分析，得到底座大圓弧處為牽引座高應(yīng)力集中區(qū)域。盡管結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于母材屈服強(qiáng)度，但在長期交變載荷下，應(yīng)力集中區(qū)域成為裂紋萌生和擴(kuò)展的核心位置。

2）通過牽引制動(dòng)載荷下的高周疲勞試驗(yàn)，得到了牽引座疲勞失效的宏觀裂紋擴(kuò)展趨勢，可見在裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋優(yōu)先向應(yīng)力大的方向進(jìn)行擴(kuò)展。得到的疲勞斷口為斷口形貌分析和金相試驗(yàn)提供了試樣支撐。

圖12鑄造母材與焊接修復(fù)區(qū)域的EDS圖

Fig.12EDSdiagramofcastingbasemetalandweldingrepairarea

3）通過對疲勞斷口的形貌分析和金相試驗(yàn)，確定了牽引座底座圓弧開裂區(qū)域存在焊接修復(fù)過程。進(jìn)一步表明結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效是由于焊接修復(fù)過程引入的尖銳裂紋和應(yīng)力集中共同作用導(dǎo)致的，應(yīng)著重控制底座大圓弧處的鑄造質(zhì)量，避免補(bǔ)焊。

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通信作者：朱濤（1984一），男，研究員，博士生導(dǎo)師，國家級人才計(jì)劃入選者，四川省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體負(fù)責(zé)人，研究方向?yàn)檐囕v結(jié)構(gòu)剩余壽命評估方法與延壽技術(shù)。E-mail：zhutao034@swjtu.edu.cn。

（責(zé)任編輯：吳海燕）