公鐵兩用車車架焊縫疲勞強(qiáng)度評估

蓋曉東　安贊　姜青霞

摘要：采用DVS 1612標(biāo)準(zhǔn)對公鐵兩用車車架的焊縫疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評估，通過仿真結(jié)果顯示，對接焊縫的疲勞強(qiáng)度安全余量較大，角焊縫的疲勞強(qiáng)度相對合理。綜合評估得出，車架整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計相對保守，在后續(xù)設(shè)計過程中應(yīng)盡量采用全熔透對接焊縫，這樣對車架的輕量化還有較大的提升空間，也對后續(xù)車型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：疲勞強(qiáng)度;公鐵兩用車;車架;焊縫

前言

公鐵兩用車是一種既能在軌道上運(yùn)行，又能在一般公路上運(yùn)行的車輛，通常用于鐵路上的車輛牽引、軌道清掃、高空作業(yè)、接觸網(wǎng)維修等工作。公鐵兩用車車架是車體系統(tǒng)的重要組成部分，是車輛走行系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的安裝基礎(chǔ)，并承載和傳遞車輛運(yùn)行過程中的垂向、橫向和縱向的各種交變載荷。

在車輛實際運(yùn)行過程中，由于焊縫的疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于母材的疲勞強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)失效往往是從焊接部位開始，所以對高應(yīng)力區(qū)域的焊縫需要進(jìn)行重點關(guān)注，通常焊縫失效的主要形式為疲勞破壞。

1? 焊縫的通用評估方法

1.1 評估方法

公鐵兩用車作為公路和鐵路跨界產(chǎn)品，缺乏專門的標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行計算及試驗，實際操作過程中，只能參照軌道車輛相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如EN 12663《鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求》的規(guī)定，對車架在多種工況的載荷下進(jìn)行強(qiáng)度計算，計算出主要運(yùn)行工況中焊縫中的最大應(yīng)力σmax、平均應(yīng)力σm和應(yīng)力幅值σa，然后根據(jù)S-N曲線圖來評估焊縫的疲勞壽命。

1.2 存在的問題

首先，在計算的過程中，焊縫的S-N曲線的獲取比較困難，且仿真軟件自帶的S-N曲線都是基于特定焊接接頭類型的，沒有考慮到焊縫的具體形狀，不能完全滿足不同類型的焊接結(jié)構(gòu)，例如，對于不完全熔透的角焊縫，焊縫根部通常為應(yīng)力集中區(qū)域，缺口效應(yīng)過大。其次，不同的焊接結(jié)構(gòu)導(dǎo)致焊縫也是千變?nèi)f化的，在以往的評估過程中，這些千變?nèi)f化的不確定因素，往往都是考慮到一定的安全系數(shù)，但這樣也導(dǎo)致評估較為保守，不能滿足產(chǎn)品輕量化的需要。

2? DVS 1612標(biāo)準(zhǔn)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)介紹

德國焊接學(xué)會的DVS 1612《軌道車輛鋼焊縫的設(shè)計和疲勞評估》標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，沿焊縫方向的正應(yīng)力、垂直于焊縫方向的正應(yīng)力及沿焊縫方向的剪應(yīng)力對焊縫的疲勞破壞起決定作用，在疲勞評估的過程中，應(yīng)主要計算分析這三種應(yīng)力。

在DVS 1612標(biāo)準(zhǔn)中，正應(yīng)力評估曲線最多有11種，其中母材正應(yīng)力的疲勞特性分為2個等級，焊縫正應(yīng)力的疲勞特性分為9個等級。剪應(yīng)力的評估曲線有6種，其中母材剪應(yīng)力的疲勞特性為1級，焊縫剪應(yīng)力的疲勞特性分為5個等級。

標(biāo)準(zhǔn)中對焊縫結(jié)構(gòu)分類非常詳細(xì)，并且與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)EN 15085-3《軌道車輛及其部件的焊接.第三部分：設(shè)計要求》規(guī)定的焊縫類型、焊縫質(zhì)量等級是相對應(yīng)的。

在DVS 1612標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定各向應(yīng)力應(yīng)滿足以下條件：

處于多軸應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，其組合應(yīng)力還應(yīng)滿足以下條件：

2.2 焊縫類型分級

2.2.1 焊縫類型

焊縫類型的定義要根據(jù)焊縫的接頭形式和焊縫的受力方向來確定，如同樣是T型接頭，但受力方向不同，在焊縫評估時就是兩種不同類型的焊縫，應(yīng)根據(jù)不同的曲線來進(jìn)行。

2.2.2 焊縫質(zhì)量等級

根據(jù)EN15085-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，焊縫質(zhì)量等級取決于焊縫的應(yīng)力等級及安全等級，共分為CP A、CP B、CP C1、CP C2、CP C3、CPD六個級別

3? 車架的焊縫疲勞強(qiáng)度分析

公鐵兩用車車架主要由縱梁、橫梁、支撐梁、支撐座、油缸安裝座、連桿安裝座、前后端梁及車鉤座整體焊接組成，所有材料均采用Q355耐候鋼及矩形鋼管。

3.1 車架的有限元仿真

有限元計算采用目前常用的ANSYS軟件，單位選用mm（毫米）、Kg（千克）、MPa（兆帕）、N（牛）。車架模型中，重點位置采用實體單元建立模型，其他部分采用殼單元進(jìn)行離散。經(jīng)過合理簡化后，對模型劃分網(wǎng)格，整個模型共有553165個節(jié)點和570173個單元。所有部件之間采用圖紙中規(guī)定的焊接方式進(jìn)行連接，并采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料密度進(jìn)行配重。

車架有限元模型如圖1所示：

3.2 車架焊縫的疲勞評定

經(jīng)仿真計算并對焊縫上選取726個關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行校核統(tǒng)計，最大應(yīng)力為48.2MPa，最小應(yīng)力為2.19MPa。

國外標(biāo)準(zhǔn)中S355材質(zhì)屈服強(qiáng)度等同于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的Q355材質(zhì)，故采用DVS 1612標(biāo)準(zhǔn)中S355材質(zhì)的MKJ圖進(jìn)行評估。

評估時以前端梁與車鉤座之間的焊縫為例，在車輛運(yùn)行過程中，此焊縫主要承擔(dān)車輛的縱向拉伸和壓縮載荷，作為車架的關(guān)鍵焊縫，應(yīng)進(jìn)行重點關(guān)注。

首先分析該焊縫的接頭形式和受力方向，焊縫屬于T型接頭，單面坡口全焊透，背部不帶墊板，焊接完成后需要進(jìn)行10%的內(nèi)部探傷，焊縫質(zhì)量等級為CP C1級。因此根據(jù)DVS 1612標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合受力情況，該焊縫僅評估正應(yīng)力，采用S355材質(zhì)正應(yīng)力E6級缺口沖擊強(qiáng)度曲線。經(jīng)疲勞評估結(jié)果顯示，此焊縫位置的疲勞應(yīng)力低于許用疲勞應(yīng)力，焊縫的疲勞強(qiáng)度滿足使用要求。

對其余焊縫參照此方法進(jìn)行疲勞評估，經(jīng)疲勞評估結(jié)果顯示，本公鐵兩用車車架各焊縫的疲勞強(qiáng)度均滿足要求。

4? 結(jié)束語

采用DVS 1612標(biāo)準(zhǔn)對公鐵兩用車車架的焊縫疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評估，通過仿真結(jié)果顯示，對接焊縫的疲勞強(qiáng)度安全余量較大，角焊縫的疲勞強(qiáng)度相對合理。綜合評估得出，車架整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計相對保守，在后續(xù)設(shè)計過程中應(yīng)盡量采用全熔透對接焊縫，這樣對車架的輕量化還有較大的提升空間，也對后續(xù)車型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] DVS 1612.軌道車輛鋼焊縫的設(shè)計和疲勞評估[S].2009.

[2] EN 15805-3.軌道車輛及其部件的焊接-第3部分 設(shè)計要求[S].2007.

（作者單位：中車四方車輛有限公司）