李智勇

（廣州市地下鐵道總公司運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部，廣東 廣州510000）

1 提出問(wèn)題

扭桿座和鋼索座同為一個(gè)座（圖1），吊座為鋁合金材料，位于轉(zhuǎn)向架兩側(cè)上方，通過(guò)焊接方式與車體連接，抗側(cè)滾扭桿和安全鋼索通過(guò)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(wèn)題已全部被拆除。

圖1 扭桿座和鋼索座

廣佛線開通以來(lái)，列車抗側(cè)滾扭桿座（簡(jiǎn)稱扭桿座）和安全鋼索座（簡(jiǎn)稱鋼索座）裂紋問(wèn)題一直存在，隨著列車運(yùn)營(yíng)時(shí)間加長(zhǎng)，吊座裂紋的數(shù)量逐漸增多，嚴(yán)重程度也逐漸加深。

抗側(cè)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(yùn)營(yíng)時(shí)吊座存在脫落的風(fēng)險(xiǎn)，若扭桿座和鋼索座脫落于正線，小則導(dǎo)致清客救援，大則會(huì)出現(xiàn)列車脫軌等運(yùn)營(yíng)事故。因此，扭桿座和鋼索座裂紋問(wèn)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(shù)是母材裂紋，而母材裂紋絕大多數(shù)發(fā)生在螺栓孔周圍。以下從動(dòng)應(yīng)力、鋼套安裝和螺栓預(yù)緊力3個(gè)方面來(lái)分析鋼索座產(chǎn)生裂紋的原因。

圖2 鋼索座裂紋情況

2.1.1 動(dòng)應(yīng)力導(dǎo)致裂紋

列車正常運(yùn)營(yíng)時(shí)鋼索座可能因受力過(guò)大或小應(yīng)力長(zhǎng)期積累使其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞破壞，最后導(dǎo)致斷裂。為此，我們邀請(qǐng)了北京交通大學(xué)對(duì)扭桿座和鋼索座進(jìn)行了正線動(dòng)應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試列車運(yùn)營(yíng)時(shí)吊座關(guān)鍵部件的動(dòng)應(yīng)力。具體測(cè)點(diǎn)如圖3所示。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，列車在正常運(yùn)行狀態(tài)下，扭桿座及鋼索座上各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力幅值均較低。雖然無(wú)較大的動(dòng)應(yīng)力，但小應(yīng)力循環(huán)卻較頻繁。結(jié)構(gòu)的疲勞破壞是一個(gè)疲勞損傷不斷累積直至最后斷裂的過(guò)程，低于疲勞極限的應(yīng)力水平對(duì)于結(jié)構(gòu)損傷也可產(chǎn)生顯著影響。因此，必須考慮小應(yīng)力對(duì)車輛結(jié)構(gòu)疲勞損傷的貢獻(xiàn)。

圖3 抗側(cè)滾扭桿座及鋼索座測(cè)點(diǎn)布置圖

北京交通大學(xué)采用等效應(yīng)力幅值來(lái)分析吊座在運(yùn)營(yíng)條件下的疲勞強(qiáng)度。假如列車運(yùn)營(yíng)30年，每年運(yùn)營(yíng)12萬(wàn)k m，能運(yùn)營(yíng)360萬(wàn)k m，通過(guò)計(jì)算，便可得出廣佛線車體抗側(cè)滾扭桿座及鋼索座應(yīng)力測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)運(yùn)行360萬(wàn)k m后的等效應(yīng)力幅值。經(jīng)計(jì)算，鋼索座上各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力幅值均較低，該座上焊縫部位的最大等效應(yīng)力幅值小于該類焊縫的許用疲勞極限，母材處的等效應(yīng)力幅值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其許用疲勞極限。因此，鋼索座疲勞強(qiáng)度滿足要求，運(yùn)營(yíng)時(shí)吊座的受力不是鋼索座產(chǎn)生裂紋的原因。

2.1.2 鋼套安裝導(dǎo)致裂紋

鋼索座的鋼套與鋼索座的內(nèi)孔是過(guò)盈配合［鋼索座的內(nèi)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(guò)程中可能產(chǎn)生脹裂，運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)裂紋。

2.1.3 螺栓預(yù)緊力過(guò)大導(dǎo)致裂紋

鋼索座在列車運(yùn)行過(guò)程中，正常狀態(tài)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(yù)緊扭矩下產(chǎn)生的應(yīng)力影響。因此，北京交通大學(xué)在夏南車輛段完成了鋼索座關(guān)注點(diǎn)螺栓預(yù)緊扭矩下的應(yīng)力測(cè)試，圖4為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試照片。

圖4 鋼索座在螺栓預(yù)緊扭矩下的應(yīng)力測(cè)試

鋼索座螺栓預(yù)緊扭矩為370 N·m，在此下測(cè)試鋼索座各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力，預(yù)緊下的應(yīng)力測(cè)試共進(jìn)行了3次，圖5指出了鋼索座上關(guān)注的測(cè)點(diǎn)位置，表1列出了各測(cè)點(diǎn)在預(yù)緊扭矩下的應(yīng)力值。為比較不同扭矩下的應(yīng)力結(jié)果，將鋼索座螺栓預(yù)緊扭矩設(shè)置為280 N·m，重點(diǎn)對(duì)測(cè)點(diǎn)GF22和孔邊進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。

圖5 鋼索座預(yù)緊扭矩下的應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)

表1 鋼索座螺栓預(yù)緊扭矩下的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

由表1可見，在370 N·m預(yù)緊扭矩作用下，測(cè)點(diǎn)GF22的應(yīng)力值已經(jīng)非常接近或超過(guò)車體抗側(cè)滾扭桿座及鋼索座用材（鋁材7005－T6）焊縫處的強(qiáng)度極限（210 MPa，該數(shù)據(jù)為主機(jī)廠提供），孔邊應(yīng)力（測(cè)點(diǎn)GF25）已經(jīng)比較接近或超過(guò)母材的屈服極限（290 MPa，該數(shù)據(jù)為主機(jī)廠提供）。因此推測(cè)鋼索座的開裂很可能是由于預(yù)緊力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力過(guò)高引起的，雖然后期按照標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整了預(yù)緊力大小或拆除了安全鋼索，但鋼索座已經(jīng)達(dá)到了屈服極限，可能會(huì)逐漸產(chǎn)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(xiàn)在長(zhǎng)方孔周邊，如圖6所示，內(nèi)外側(cè)都有且靠近焊縫區(qū)域。以下從吊座的材質(zhì)、設(shè)計(jì)、制造及焊接工藝3方面來(lái)分析。

圖6 扭桿座裂紋情況

2.2.1 扭桿座材質(zhì)問(wèn)題

扭桿座的材質(zhì)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(huì)帶到擠壓出的型材中，進(jìn)而對(duì)扭桿座的局部產(chǎn)生影響，可能導(dǎo)致裂紋。

2.2.2 設(shè)計(jì)問(wèn)題

設(shè)計(jì)時(shí)可能對(duì)扭桿座在實(shí)際運(yùn)營(yíng)（A W3）過(guò)程中、在最惡劣的運(yùn)營(yíng)工況下的實(shí)際受力把握不準(zhǔn)，導(dǎo)致扭桿座的受力設(shè)計(jì)值低于實(shí)際受力值，在此情況下設(shè)計(jì)扭桿座的結(jié)構(gòu)及尺寸，其靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度必然無(wú)法滿足列車正常的運(yùn)營(yíng)需要，列車運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后扭桿座便會(huì)出現(xiàn)裂紋，因此之后新設(shè)計(jì)的扭桿座結(jié)構(gòu)和尺寸才有所變化。

2.2.3 制造和焊接工藝問(wèn)題

為了進(jìn)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(lái)，交給長(zhǎng)客廠理化實(shí)驗(yàn)室分析，發(fā)現(xiàn)扭桿座的原始裂紋源產(chǎn)生的位置有2處，一是長(zhǎng)方孔內(nèi)側(cè)下部接近外端的內(nèi)圓角區(qū)域（圖7，箭頭示裂紋源位置），金相檢測(cè)表明裂紋源區(qū)附近和裂紋擴(kuò)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(cè)附近區(qū)域（圖8，箭頭示裂紋源位置），金相檢測(cè)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(qū)形貌

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

此外，裂紋離焊接區(qū)域較近，若焊接工藝不良，就有一定幾率出現(xiàn)焊接缺陷，焊縫區(qū)域可能存在較大的殘余應(yīng)力，應(yīng)力釋放時(shí)會(huì)對(duì)焊縫和母材產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。

3 改進(jìn)措施

廣佛線列車上吊座必須全部更換，但是更換成原來(lái)舊型吊座不能從本質(zhì)上解決吊座裂紋問(wèn)題，因此必須設(shè)計(jì)新型吊座來(lái)替換原來(lái)的吊座。通過(guò)以上吊座裂紋原因分析，新型吊座必須在材質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸和制造工藝上有所改進(jìn)。

3.1 改變材質(zhì)

新型吊座的材質(zhì)由原來(lái)的7005－T6鋁型材變?yōu)?082－T6鋁型材。6082－T6屬熱處理可強(qiáng)化合金，具有良好的可成型性、可焊接性、可機(jī)加工性。機(jī)械性能按EN755－2中的6082－T6要求執(zhí)行，化學(xué)成分按EN573－3中規(guī)定的6082－T6要求執(zhí)行。

3.2 改變尺寸

新型吊座的扭桿座兩側(cè)壁厚在舊型吊座的基礎(chǔ)上增加了15 mm，如圖9所示。通過(guò)對(duì)新型扭桿座的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果滿足強(qiáng)度要求。

圖9 新型吊座

4 結(jié)語(yǔ)

廣佛線列車抗側(cè)滾扭桿座和安全鋼索座裂紋是由材質(zhì)、設(shè)計(jì)、制造工藝等多方面原因引起的，現(xiàn)已設(shè)計(jì)出新型吊座用來(lái)替換。目前為止已經(jīng)更換了130多個(gè)吊座，所更換的新型吊座未出現(xiàn)裂紋，預(yù)計(jì)2014年將完成廣佛線所有列車所有吊座的更換，提高列車運(yùn)營(yíng)質(zhì)量。

［1］王文靜.廣州地鐵扭桿座及鋼索座動(dòng)應(yīng)力測(cè)試與疲勞強(qiáng)度分析報(bào)告［R］.北京交通大學(xué)，2011