王晓月
长春中车轨道车辆有限公司 动车检修中心技术质量部 13000 长春
摘 要 本文提出了铸铝横梁检修的要点，从缺陷产生的原因、缺陷的位置、缺陷的类型、缺陷的尺寸进行分析，并提出降低铸铝横梁报废率的几点建议。
关键词 铸铝横梁 缺陷 报废率
1 前言
铸造铝合金是制造业发展较早的有色金属材料之一，其凭借着密度小，比强度高、耐腐蚀等一系列优点受到广泛的应用[1]。铸铝横梁作为车下吊装部件主要作用是支撑和保护牵引电机，该材料为Al-Si-Mg系铝合金，具有较好的铸造性和较高强重比。CRH5A型动车组动车（MC2、M2S、M2、MH、MC1）拖车（TP、T2、TPB）均安装有横梁，共计37根，位置分布如下图1、2所示：
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图1.动车横梁分布图
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图2.拖车横梁分布图
2 铸铝横梁检修要求
铸铝横梁五级修为下车分解检修，五级修指的是在新造或者五级修后，运行（480±12）万公里或12年（本次检修距上次三级修不超过120±12万公里或三年）进行的高级修，《和谐 5A 型动车组五级检修规程》（TG/CL303 -2016） 要求铸铝横梁关键部位（如图3、4所示）去除外表面油漆，渗透探伤检查，有裂纹时更换，其余部位破损面积小于 100mm2 时须打磨圆滑，重新涂漆。上述检修规程只是对铸铝横梁检修的位置和方法进行定性描述，缺乏对缺陷部位的承载能力进行定量分析。
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图4.其他横梁（非电机横梁）关键区域示意图
3 铸铝横梁缺陷分析
铸造或是车辆运行过程中会导致铸铝横梁缺陷，缺陷的大小、位置、类型对铸铝横梁的承载能力有明显影响，下面分别从缺陷产生的原因、缺陷的位置、缺陷的类型、缺陷的尺寸进行分析。
3.1 缺陷原因
由于铸铝横梁加工成型，铝合金铸件在实际铸造过程中会有诸多缺陷，如疏松、裂纹、花边状组织（如图5所示）、氧化夹渣与气孔（如图6所示）等。花边状组织表现为铸件边界呈波浪状、锯齿状花边，其产生原因可能是熔体过热，停留时间过长，或者铸造温度过高等[2]。氧化夹渣与气孔产生的原因可能是铝液进入型腔时产生喷溅，形成气泡被包裹在铸件内部，从而形成氧化夹渣，同时铝液中有大量体积小的氢气形成不规则小孔洞。
此外，车辆在高速行进过程中尤其处于风沙环境受到了空气压力、泥沙、碎石、污水等影响，如此高应力水平下，横梁表面的气孔开始萌生和扩展成疲劳裂纹。应力越高，疲劳裂纹越容易出现，疲劳寿命越短[3]。另一方面，泥沙、碎石、污水会损坏横梁表面涂料，而失去了防腐能力，可能会导致横梁锈蚀而烂穿，所以检修电机横梁过程中在面向转向架侧的可操作面和底侧范围喷涂抗石击涂料（如图7所示）。
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图5.花边状组织缺陷 图6.氧化夹渣与气孔缺陷
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图7.电机横梁抗石击涂料的喷涂范围
3.2 缺陷位置
缺陷位置可以分为关键区域和非关键区域。关键区域（如图3、4所示）分别为底架固定块连接座（如图8所示）和牵引电机支撑座（如图9所示），即通过螺栓将铸铝横梁与车体底架下方的滑槽内固定块相连接，通过螺栓将铸铝横梁与承载牵引电机固定垫块相连接，而铸铝横梁主要载荷也是作用在这两处。赵玉栋[4]对铸铝横梁采用等效交变载荷试验，并对试验结果进行有限元仿真研究，根据有限元分析结果，如图10所示，铸铝横梁在使用过程中应力较大部位主要有铸铝横梁底架连接座支撑板处以及电机支撑座上方5cm处。
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图10.瞬态分析应力最大时刻Mises应力云图
检修铸铝横梁时采用渗透探伤的方法对关键区域进行探伤，自承揽铸铝横梁检修项目以来，多次出现关键区域的吊耳部位出现缺肉（如图11所示）及吊耳根部出现线性缺陷（如图12所示）现象，此类问题占报废铸铝横梁比例50％以上。关键区域的吊耳为铸铝横梁防水壁组成安装座，与非关键部位吊耳作用一致，如图13所示，此处安装座承载的载荷相比底架固定块连接座和牵引电机支撑座较小，修程中图示却表明该处吊耳属于关键区域。
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图11.吊耳部位缺肉 图12.吊耳根部线性缺陷
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图13.横梁防水壁安装图
3.3 缺陷类型
横梁常见缺陷可以分成两类，即贯穿类缺陷和表面类缺陷。贯穿类缺陷表现为完全贯穿横梁具有不规则形状的缺陷（如图14所示）。表面类缺陷表现为存在横梁表面并未穿透的缺陷（如图15所示）。对于表面缺陷，应力强度因子最大值随着缺陷长度和深度的增大而增大，当缺陷长度增加时缺陷中部的应力强度因子增大，缺陷有中部破坏的趋势，当缺陷深度增加时缺陷两端应力强度因子增大，缺陷有两端破坏的趋势。对于贯穿类缺陷，缺陷长度越长最大应力强度因子最大值越大，缺陷有两端破坏的趋势。
外应力存在条件下，贯穿类缺陷起到缺口的作用，会在周围引起应力集中，所以同等尺寸下，贯穿类缺陷对横梁的影响比表面类缺陷大。
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图14.贯穿类缺陷图 图15.表面类缺陷
3.4 缺陷尺寸
修程中要求的缺陷面积小于 100mm2，由于缺陷形状不规则，测量难度较大，一般使用直尺或是游标卡尺进行测量，同时这个数值也是判定横梁报废与否的重要依据。横梁的承载能力随缺陷尺寸的增大而急剧下降，当缺陷出现在铸铝横梁瞬态分析应力最大位置（如图10所示），长度达到50mm时缺陷会发生破坏[4]。
对于非关键区域边缘部位大于 100mm2的表面类缺陷（如缺肉、破损）可以通过补焊来处理，虽然焊接组织和铸造组织存在很大差别，但是各力学性能差别不大。刘文慧[5]等以ZL114A合金砂型为列，认为补焊对合金铸件力学性能有所下降，但下降幅度不大，抗拉强度、屈服强度下降5％，伸长率下降15％。之所以造成焊接区域性能降低，是因为焊接时高温造成Mg烧损，使强化相Mg2Si减少，弱化了强化效果导致的。
4 铸铝横梁的安装
检修另一要点保证横梁及其连接件顺利安装，横梁底部吊耳是底板安装座（如图16所示），经试验表明当非电机横梁底部两侧对应五对左右（如图17所示，吊耳1和2、3和4、5和6、7和8、9和10）吊耳上表面长圆孔中心处高低差大于3mm时，影响底板安装。在没有基准平台的条件下，将横梁四脚朝地放置稳固，用直角尺朝上横放在一对吊耳上方，要求直角尺底边与横梁底面尽量贴合，用直角尺分别测量左右吊耳对应B、C点（禁止测A点）与直角尺底面的间隙。
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5 结论和建议
铸铝横梁作为承载部件其可靠性引起广泛的关注，其铸造或是运行过程中受力产生破损、裂纹、变形等，以上缺陷尚未采取二次加工进行修复，所以目前铸铝横梁检修的重点在于以节约成本的前提下判定横梁报废或是继续使用。为了减少铸铝横梁的报废率，一方面需要生产厂家提升铸造工艺，尽可能规避铸造缺陷；一方面避免铸铝横梁拆解过程中因错误作业造成的外伤；一方面结合铸铝横梁各部位实际作用来细化缺陷位置对应的检修方式，如关键区域的吊耳探伤的必要性，另一方面影响铸铝横梁安装的条件可否通过现车处理的方式予以解决，如铸铝横梁对称底板吊耳超差3mm通过现车打磨吊耳厚度来保证底板顺利安装。此外，针对于铸铝横梁非关键区域边缘部位大于 100mm2的表面类缺陷，采用补焊的方式进行二次加工修复，仍旧需要大量的试验来验证这种方式的可能性。
参 考 文 献
1 徐芳.A357铸造铝合金疲劳裂纹偏析研究[D].沈阳:沈阳航空工业学院,2009.29-35.
2 张宁.铸造铝合金缺陷分析与热处理工艺研究[J].有色金属加工，2008,5:10.
3 莫德峰.孔洞对铸造铝合金疲劳性能的影响[J].材料工程，2010,7:92-96.
4 赵玉栋.基于缺陷类型的铸铝横梁结构承载分析[D].北京交通大学，2017.
5 刘文慧.补焊对铝合金砂型铸件性能的影响[J].特种铸造及有色合金，2018,38(01):93-96.