铁道车辆转向架构架疲劳寿命及损伤容限研究

邓志焱

摘要：随着我国高速铁路的不断发展，高速列车运行速度在不断提高。转向架是铁路车辆运行过程中轨道激励的主要接收部件，而构架是转向架的主要承载结构，在复杂的交变载荷作用下，转向架焊接构架焊缝容易形成疲劳裂纹，威胁列车运行的安全性和可靠性。基于此，本文主要研究焊接结构疲劳强度方法以及抗疲劳设计中的损伤容限设计。旨在同行参考借鉴。

关键词：铁道车辆；转向架；构架；疲劳寿命；损伤容限

1 导言

铁路车辆结构的安全性与耐久性一直是国内外重要研究内容。在铁道车辆组成部件之中，转向架焊接构架是牵引电机、齿轮箱、横向止挡和抗蛇行减振器等重要部件的基本载体，承受着极为复杂的疲劳载荷。尤其是对高速列车转向架构架，其运行时的承载情况要比传统车辆更为严苛，焊接构架的疲劳强度能否达到设计及运行要求将直接影响高速列车的安全性、平稳性、舒适性与经济性。因此，本文就针对铁道车辆转向架构架疲劳寿命及损伤容限展开研究。

2 研究铁道车辆转向架构架疲劳寿命及损伤容限的必要性

转向架是铁道车辆运行过程中轨道激励的主要接收部件，而构架是转向架的主要承载结构。它既支撑车体在轨道上运行，又连接各种零部件，承受和传递来自各方向的交变载荷，是铁道机车车辆上最重要的部件之一，焊接构架的疲劳强度能否达到设计要求将直接影响铁道车辆运行时的安全性和可靠性。分析国内外相关研究文献可看到，铁道车辆运行过程中承受的主要载荷是复杂的交变载荷，在这种载荷长期作用下，转向架燥接构架的辉缝极易产生疲劳损伤，导致安全事故发生。所以，针对转向架焊接构架的可靠性，在对其疲劳强度和疲劳寿命进行评估和预测时，使用何种理论方法分析和试验方法得到的结果更加准确，是目前的研究重点。

我国铁道车辆承载结构设计和强度可靠性研究长期停留在静强度水平，无法满足铁道车辆轻量化和疲劳可靠性要求。在20世纪末开始参照国外相关标准，主要是国际铁路联盟标准、欧洲标准和工业标准，并根据我国铁路线路的实际情况，在此基础上形成了部分国内行业标准。在设计阶段对承载结构进行疲劳强度评定具有很高的工程实用价值，该方法简单使用，可靠性较高，分析成本也相对低廉。高速列车在轨道上运行时，由于线路轨道不平顺，机车车辆受到随机载荷的作用，此时，承载结构可根据随机疲劳损伤累积理论研究其疲劳寿命。

3 焊接结构疲劳强度方法研究

疲劳是指在承受足够多的循环载荷作用之后，材料萌生了裂纹甚至完全断裂，材料本身发生了局部的、永久性结构变化的过程。其本质是在交变载荷作用下的动态破坏过程。大量现场经验表明，发生断裂时实际断裂应力往往低于材料的抗拉强度，甚至屈服强度，疲劳过程中也很难观测到明显的塑性变形，断裂发生具有不确定性及突然性，是一种极其危险的失效形式，所以疲劳断裂特性是工程结构中一项重要评价指标。

焊接结构的疲劳强度取决于结构的整体构造及焊接接头细节特征等因素，结构的整体构造影响疲劳载荷的分布和传递，焊接接头细节特征则影响结构的局部应力应变。所以，焊接结构疲劳强度分析可从整体到局部进行不同层次的分析。焊接结构的疲劳失效包括裂纹萌生，裂纹扩展和断裂3个阶段。焊接接头的疲劳强度主要由裂纹的萌生和扩展2个过程决定。裂纹的萌生取决于焊缝的焊趾和焊根处的局部缺口应力状态，裂纹的扩展取决于包括缺口效应的裂纹局部应力强度因子。考虑焊接接头不同类型和局部行为等不同结构层次的影响，对于焊接结构疲劳强度的分析主要有4种方法，即名义应力法、结构应力法、缺口应力应变法和断裂力学法。其中，名义应力法为整体法，缺口应力应变法和断裂力学法为局部法，结构应力法是整体法与局部法之间的过渡方法。缺口应力应变法主要用于基于缺口根部应力的裂纹萌生阶段，断裂力学法用于已有初始裂纹的裂纹扩展和最终断裂阶段。通过研究表明，焊接结构疲劳强度评估由整体法到局部法递进发展的关系。

4 抗疲劳设计中的损伤容限设计

由于疲劳问题的复杂性和材料疲劳性能的离散性，任何寿命预测方法都只能提供统计意义上的平均疲劳寿命建议值。随着疲劳研究的不断深入和预测能力的不断提高，疲劳设计方法也得到跨越式地发展。从基于疲劳极限Sf和应力强度因子门槛值ΔKth控制的无限寿命设计；到利用疲劳S-N曲线、？-N曲线和Miner理论进行的有限寿命设计；再到考虑疲劳裂纹萌生、扩展，综合控制初始缺陷尺寸、剩余强度及检查周期的损伤容限设计，抗疲劳断裂分析能力得到了极大的提升。但不同的疲劳设计方法之间并不是相互取代的关系，而是相互补充、相互完善，根据不同情况、不同需求选择最适合的疲劳设计方法。

由于裂纹的存在，安全寿命设计并不能完全保证构件安全性。损伤容限设计是为了保证含裂纹或可能含裂纹构件的安全性，而产生的一种新型疲劳断裂控制方法。该方法的设计思路是：假定构件中存在裂纹，综合使用断裂分析、疲劳裂纹扩展分析，配合试验验证，保证在周期性检查中肯定能发现裂纹，确保构件中的裂纹不会扩展到发生断裂的程度。

如右图1所示，假设结构中存在尺寸为a0的初始裂纹，为保证结构在工作载荷作用下损伤是缓慢增长的，须选择韧性较好的材料进行制造。随着使用时间的延续，裂纹a不断增长，受损结构的剩余強度σR也不断降低。为了确保安全，结构剩余强度须大于最大工作应力σmax，剩余强度曲线与最大工作应力水平线交点所对应的就是临界裂纹长度ac，即发生危险破坏时的临界点。从可检裂纹长度ai到临界裂纹长度ac的时间，即为检查周期。在检查周期内，通过合理安排裂纹检查，保证裂纹在扩展至临界长度ac之前被检查出并及时修复，就能够确保结构安全性。同时，结构的剩余强度也得到修复，进入下一个使用周期。由此可见，断裂判据和裂纹扩展速率方程是损伤容限设计的基础。损伤容限设计的三个重要因素为：（1）剩余强度：使用断裂力学分析评估结构剩余强度，保证其安全性；（2）损伤增长：按照疲劳裂纹扩展规律，检测、控制裂纹长度；（3）检查周期：依据裂纹检出能力进行概率统计分析，制定合理检查周期。

5 结语

综上可知，本文针对铁道车辆焊接构架，在传统的名义应力法评估的基础上，引入断裂力学损伤容限思想和疲劳强度评定方法。铁道车辆结构的损伤容限分析是指在规定的未经维修的使用期间，确保关键焊缝或者危险焊缝的安全容限及等级。旨在探索焊接构架服役更安全、更经济的寿命评估新思路，拓展损伤容限方法在焊接构架寿命评估领域的影响与应用。

参考文献：

[1]安理.新一代高速列车转向架构架强度分析与试验验证[J].2010.

[2]米彩盈.铁道机车车辆结构强度[J].2009.

[3]沈彩瑜.铁道车辆转向架疲劳强度研究[J].2011.

（作者单位：本钢集团北营铁运公司内燃作业区）