地铁车辆抗侧滚扭杆座及枕梁下盖板补板裂纹金相分析、改进方案及强度分析

地铁车辆抗侧滚扭杆座及枕梁下盖板补板裂纹金相分析、改进方案及强度分析

于秀洁 张洁 杨超

中国中车长春轨道客车股份有限公司 吉林长春 130062

【摘 要】为解决地铁车辆抗侧滚扭杆座及枕梁下盖板补板裂纹对车体安全运营的影响，对产生裂纹区域及裂纹附近区域进行金相分析及有限元分析。通过金相组织观察和计算数据进行对比分析裂纹产生的原因。枕梁下盖板补板在板厚中部区域附近角焊缝引起有一定的残余拉伸应力，这是引起其产生脆性开裂裂纹的因素。

【关键词】裂纹；铝合金材料；金相；静强度；

1 引言

问题描述：地铁车辆运行中发现枕梁下盖板补板出现裂纹，对枕梁下盖板补板、立板及扭杆座进行探伤，普查发现枕梁下盖板补板出现裂纹，裂纹长度由10到90mm不等；立板裂纹，裂纹长度为38mm。扭杆座焊缝出现裂纹，裂纹长度约为10mm。

2原因分析

为了从根本解决裂纹问题，对裂纹产生原因进行了详尽的分析。

宏观及裂纹检查：着色探伤显示有明显的裂纹，切下裂纹的实物有残留的焊缝痕迹,打磨后残余的裂纹位于板厚中部区域；裂纹打开后的断口形貌补强板裂纹打开后的断口形貌呈现有一定起伏的木纹状和鱼鳞片状复合型断口,断口附近无塑性变形，因此,可确定补强板上的裂纹属于脆性裂纹,其断口属于脆性断口。

（2）金相检测

金 相检测补板上局部存在有呈现平行状分布的多条裂纹，该多条裂纹均是沿着不连续的黑色小孔洞和金属衔接不连续的区域进行扩展的，结合其木纹状脆性断口特征，可以确定补板在开裂位置处存在有焊合不良缺陷。

图1：裂纹金相图

我们针对抗侧滚扭杆安装吊座补板进行裂纹理化分析，得出如下结论：

该补板在板厚中部区域内局部存在有焊合不良，在其附近角焊缝引起有一定的残余拉伸应力，这是引起其产生脆性开裂裂纹的一个因素，并且补板材料为7020-T6合金，属于7000系合金，此系列合金特性为耐应力腐蚀能力非常弱，难以在非常复杂的受力、腐蚀、运营环境下保持较好的抗应力腐蚀性能，出现应力腐蚀裂纹，是引起裂纹的主要原因。

3解决方案

由于枕梁下盖板补板及立板材料本身存在缺陷，为了彻底解决枕梁下盖板补板及立板裂纹问题，将所有枕梁下盖板补板、立板、抗侧滚扭杆座材质全部由7020-T6更换为6082-T6，执行EN573-3、EN755-2标准。

针对全部更换枕梁下盖板补板、立板、抗侧滚扭杆座修复方案，对其可行性做了充分的计算论证。更换枕梁下盖板补板、立板、抗侧滚扭杆座后，对抗侧滚扭杆补焊结构强度进行分析，校核补焊后结构强度是否满足要求：

载荷工况及边界条件：

分析扭杆座受拉与受压两种静载荷工况，载荷大小为40KN，施加在扭杆座螺栓孔内侧节点上，有限元模型垂向、横向、纵向约束施加在边梁与枕梁处，具体如下图

图10：纵向、垂向、横向线位移约束

4静强度：

载荷工况及边界条件：根据EN 12663-1：2010《铁路应用—铁道车辆车体的结构要求》标准中对整车强度的规定，本次主要分析对枕梁补板影响较大的三个工况：车辆最大垂直载荷；800KN压缩与垂直载荷AW3合成工况；640KN拉伸与垂直载荷AW3合成工况。

基于EN 12663-1：2010《铁路应用—铁道车辆车体的结构要求》标准的车体及补板强度应力计算结果如表3-4所示。

表3-4车体及补板结构静强度计算结果

在三种主要工况作用下，边梁与补强板焊缝、枕梁与补强板焊缝、立板与补强板焊缝最大应力满足标准要求。

5结论

裂纹理化分析结果显示开裂位置处存在有焊合不良缺陷。该现象产生可能与下列因素有关，在挤压过程中挤压模具室高度、焊合角度、分流桥宽度以及工作带长度等方面设计不合理，或者是挤压、热处理制度不当造成的，料坯在经过焊合室后没有足够强度进行重新融合形成完整的型腔壁，因此会出现类似脆性断裂的断口形态。焊合不良型材在后续加工成形过程中强度较低，而且在受应力集中作用时，此位置最先开裂,不能达到标准要求,综上所述，确认板材本身缺陷是造成裂纹的原因。

参考文献

铁路应用—铁道机车车辆车体的结构要求 BS EN12663-1：2010；

铝结构设计-第1-1部分：结构总规则 BS EN1999-1-1：2007