呼和浩特铁路局集团有限公司包头车辆段 内蒙古包头 014010
摘要：随着铁路客车速度的不断提高，转向架轮对定位采用转臂定位方式的也越来越多，这是因为转臂式转向架不需要特殊工装，只要保证各部件的加工精度就可以保证组装尺寸的精度要求，操作工时少。转臂式定位是一种无磨耗、少维修、寿命长的轮对轴箱定位方式，且转臂式定位能实现纵向、横向、垂向定位刚度的解耦，可以在比较宽松的范围内对各向所需刚度进行灵活的选择。然而，构架作为转向架的主要承载部件，由于定位转臂座的存在，在设计及生产过程中，定位转臂座与转向架构架侧梁的连接需要引起足够重视，以免出现强度不足的问题。本文以某铁路客车转向架构架为例，结合有限元仿真技术对其定位转臂座强度不足问题进行结构优化，并提出相应建议。
关键词：铁路客车；转向架；疲劳分析
引言
高速化的铁路客车正好适应如今人们对交通工具的高要求，高速铁路也已然成为各国铁路现代化的重要标志。然而，任何高速的交通工具都有它安全可靠性的问题存在，随着现如今铁路客车速度的提高和载货量的持续增长，导致铁路的动态性能下降，轮轨之间的磨损程度问题在日益凸显。轮轨之间的相互作用可能会引发脱轨，一旦脱轨，后果便不堪设想了。在以往的铁路客车中，车转向架构架焊接接头暴露出许多疲劳可靠性的问题，如客车在运行过程中出现焊缝断裂、测量立板撕裂等问题，严重危机人们的行车安全。因此，研究铁路客车转向架构架焊接接头的疲劳可靠性，对保证列车安全是十分重要的。
1.铁路客车转向架的疲劳分析的意义
我国铁路经历了5次提速后，人们的出行条件得到了很大改善。随着铁路客车速度的不断提高，客车转向架零部件损坏的数量也有所增加，疲劳断裂对铁路客车运用的危害日益受到重视。疲劳强度自19世纪60年代在欧洲提出以来，随着现代工业的发展，现在世界上发达国家都极为重视承载构件的疲劳研究，并开展了疲劳评定、疲劳寿命评估和疲劳强度设计、断裂力学等研究工作。我国铁路近几年也加大了对车辆结构疲劳强度的研究，铁道部提出“先进、成熟、经济、适用、可靠”的十字方针来实现铁路的跨越式发展。其中，特别提出了“可靠”，而保证铁路客车安全可靠运行的前提就是客车上的零部件要满足疲劳强度要求。客车转向架承担着来自车体的重量和轨道的振动，在运行过程中各部位所承受的应力是一个连续的随机过程。目前，我国铁路客车转向架设计主要采用静强度的设计方法，疲劳设计尚无完善的规范，疲劳强度只能通过实验室试验进行验证。客车转向架构架已经由铸钢件转变为钢板焊接件，提高了结构的疲劳强度。在焊接结构的构件中，焊缝处是应力集中区，对构件的疲劳强度影响最大。本文以几个典型事故为例来分析焊接结构和焊缝质量对构件疲劳强度的影响，并提出提高疲劳强度的方法和措施。
2影响疲劳强度的因素
由于转向架的结构中铸造件逐渐被取消，越来越多的构件采用钢板焊接而成。为保证客车转向架的安全运用，对焊接构件的疲劳强度研究尤为重要。下面从几个方面讨论影响焊接构件疲劳强度的因素及解决措施：
2.1设计结构对疲劳强度的影响
设计结构是构件强度能否满足要求的关键，在设计时要充分考虑疲劳强度问题，并对其进行评估。通常评定结构疲劳强度的方法主要有许用应力法、应力折减系数法、结构构造细节分析法、安全系数法和断裂力学法等。应用最广的是许用应力法，例如我国铁标中给出了16Mn和16Mnq钢的疲劳许用应力。
2.2焊缝尺寸对疲劳强度的影响
焊接结构选择焊缝尺寸应适当，过大的焊缝横截面尺寸反而会降低构件的疲劳强度。因为过大的焊缝有着更强烈的焊接热效应，使之产生过高的残余拉应力，从而降低疲劳强度的作用也越强。一般认为，残余应力的作用与平均应力相当，拉伸残余应力相当于一个拉伸平均应力，使疲劳强度降低。为了消除焊接残余应力，需对构件进行热处理；为了提高焊接接头的疲劳强度，可对构件进行喷丸、滚压等冷作硬化处理。
2.3接缺陷对疲劳强度的影响
焊缝质量较差时会产生热裂纹、冷裂纹、未焊透、气孔和夹渣等缺陷，这些缺陷会造成严重的应力集中，从而影响构件的疲劳强度。焊接缺陷对疲劳强度的影响与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关，片状缺陷对疲劳强度的影响比带圆角的缺陷更严重；位于残余拉应力场的缺陷比位于压应力场的缺陷影响大；同时，不同材料具有不同的缺口敏感性，所以对焊接缺陷的评定比较困难。图1所示的断裂就是因为定位座中焊缝未焊透和存在热裂纹造成的损坏。
2.4表面质量对疲劳强度的影响
为了提高焊缝的疲劳强度，可以采取打磨等机械加工的方法处理焊缝，焊缝处疲劳强度与焊缝表面粗糙度、焊角形状、尺寸等有关。但当焊缝带有严重缺陷和未焊透时，缺陷和未焊透处的应力集中比焊缝表面的应力集中更为严重，此时对焊缝表面进行机械加工是毫无意义的。因此，要通过提高表面质量来提高疲劳强度，必须以良好的焊接质量为基础。
3铁路客车转向架疲劳处理方法
铁路客车转向架构架焊接接头采用的是钢焊接结构，钢焊接结构焊接加工方法的特点决定了它在生产过程中必然会出现气孔、断裂纹、未融合等现象或者焊接处存在各种几何偏差的可能。铁路客车的焊接欠缺可以分为两类：一类为焊接变形，残余应力；一类为类裂纹欠缺。前者是主要的焊接欠缺，后者发生的情况较少，但是一旦发生就会发生很严重的后果，这是焊接结构中最危险的一种情况。宏观裂纹显然是不能继续使用，焊接结构甚至整个客车可能会报废，微观裂纹虽然能坚持一段时间，但是如果不能及时发现，也会降低疲劳可靠性，这种轻微裂纹在客车行驶过程中一点一点的磨损，极有可能造成更大的安全隐患。针对这些焊接裂纹，有关研究人员也进行了相关研究。
3.1热弹-塑性有限元法
这是一种测量焊接变形和残余应力的有效方法，十分复杂的焊接结构可能需要大量的计算，对于大型铁路客车，这种针对裂纹一个个进行计算研究的方法显然是不符合实际的，这种方法将跟踪整个焊接的过程，它可以计算焊接过程中每一时刻的温度，根据每个温度下客车反应的应力进行累加，最后得出残余应力和最终可能的变形从而估量出焊接接头的疲劳可靠性。
3.2焊接收缩力法
转向架构架在焊接过程中，金属会因高温而变形进而产生焊接裂缝。此时的变形程度相当于遭受到了一个外加载荷，被称为焊缝收缩力。铁路客车转向架构架的自身结构、焊接的技艺、焊接温度都会影响焊接收缩力的大小。所以我们可以通过计算这个力进行估计在焊接过程中金属产生变形而造成后果的大小从而避免重大的安全性能方面的隐患，以此提高焊接疲劳可靠性。
3.3体积收缩法
这种方法假设导致转向架构架在焊接过程中产生变形的原因是熔化了的金属在冷却过程中遇到了热收缩。研究者通过对模型进行实验，用金属模型在900°的温度下进行焊接，然后将金属冷却至室温，观察金属的反应情况，金属在这种条件下会发生收缩变形，将实验现象转换成数值记录在册，将得到的模拟实验数值进行分析，金属熔化的截面区形状有助于我们研究焊接技巧，采取相应措施改善焊接技巧，可以进一步提高铁路客车转向架构架焊接接头疲劳可靠性。
结语
随着铁路客车的速度在不断提高，承载乘客和货物的承载量在不断加大，为了确保铁路客车在行驶过程中的安全我们需要对转向架构架焊接接头疲劳可靠性进行深入研究，确的评估出焊接疲劳可靠性有助于提高铁路客车的行驶性能和极大解决铁路客车安全性的问题，对于我国交通运输业的发展也是起到了推动性的作用。
参考文献：
[1]严隽耄，傅茂海．车辆工程［M］．北京：中国铁道出版社，2018.
［2］王伯铭．高速动车组总体及转向架［M］．成都：西南交通大学出版社，2017．