重载铁路货车焊接构件抗疲劳性能分析

黄凤龙 赵娇玉 黄君辉 李健 王天明

摘要：某项目为满足重载铁路货车提速列车编组200辆、牵引吨位3万t重载列车的使用需要，重点研究重载铁路货车焊接构件的抗疲劳性能。

关键词：重载铁路货车；焊接；抗疲劳

列车主要参数如表1所示。

表1 列车主要技术参数    

1 重载铁路货车车体承受的载荷

重载铁路货车在行驶过程中，车体所承受的是一个连续的、随机的力，导致车体焊接部位的应力状态十分复杂。考虑到车体承受着复杂的作用载荷，在设计重载铁路货车车体结构强度时，需要考虑以下几个作用载荷。

1.1 垂向静载荷

重载铁路货车车体的自重和载重是作用在车体上的垂向静载荷，通常车体的自重由车体钢结构和固结在车体上的其他部件重量所组成。车辆载荷（除特种货车）取标记载重作为车辆载重，敞车考虑雨、雪增载作用，取标记载重的1.15倍作为车辆载重。

1.2 垂向动载荷

由车体本身状态不良（例如车轮滚动圆偏向等）、轨道不平顺、铁路钢轨接缝等因素引发轮轨间冲击和车辆簧上振动而产生的载荷称为垂向动载荷。

1.3 侧向力

侧向力是作用在车体上的风力和离心力。在重载铁路货车运行过程中，车体受到风力的作用，当车辆运行在曲线区段时，假设风从车体的侧面吹来，且垂直于车体的侧壁，那么此时车体所受到的侧向力为风力与离心力之和。

1.4 扭转载荷

重载铁路货车在运行过程中，呈曲线、蛇形运动或进出道岔等均可能使车体发生扭转。车体的重心距离心盘面有一定高度，所以当车体的第一个转向架进入缓和曲线时，后面的转向架仍然处于平直道；或者当车体的第一个转向架驶出曲线时，后面的转向架仍然处于缓和曲线，这些状态都可能使重载铁路货车车体产生扭转。

1.5 纵向力

当重载铁路货车的运动状态发生变化时，车体牵引缓冲装置会因相邻两个车体间存在的速度差而产生纵向拉伸或纵向压缩的作用力。这个作用力通过车体底架的板座将力传递到车体上，会引发车体变形。

2 重载铁路货车车体疲劳性能评价标准

2.1 AAR疲劳评价标准

AAR标准采用Miner线性累积损伤理论进行疲劳计算，当零件承受的应力超过疲劳极限的交变应力时，应力每循环作用一次，都会对材料产生一定量的损伤。当累积损伤之和等于1时，即可认定出现疲劳破坏。

2.2 ASME疲劳评价标准

ASME标准采纳了网格不敏感结构应力法计算方法，并于2009年被欧洲列为计算标准。网格不敏感结构应力法又称主S-N曲线法，是一种用来评估焊接结构疲劳寿命的最新方法。

2.3 两种疲劳评价标准的比较

这两种疲劳评价标准在计算焊缝的累积损伤时，都以Miner线性损伤累计理论作为基础。AAR标准在其数据库中提供了多种的焊缝接头形式，且考虑了应力比的影响和应力循环特性，可操作性较强。在运用AAR标准评估重载铁路货车车体焊缝疲劳寿命时，如果被评估的焊缝接头形式与数据库中的焊缝接头形式吻合，那么其焊缝疲劳寿命评估就是有价值的。因此，AAR标准比较适用于新型货车的疲劳设计。ASME标准引入了断裂力学理论，并赋予其一个全新的概念，也就是等效结构应力。ASME标准不仅考虑了车体焊接接头的板厚和载荷模式产生的影响，还考虑到了应力集中的影响，它是目前世界上评估车体焊缝疲劳寿命的最佳方法。由于是基于主S-N曲线数学模型进行计算，不需要考虑车体焊接接头的具体形式，因此ASME标准突破了传统名义应力法的第一个局限性，在解决工程问题上具有广泛适用性。

3 重载铁路货车车体焊缝应力集中分析

重载铁路货车车体的焊缝应力集中分析和疲劳寿命预测的疲劳载荷包括车钩纵向载荷和心盘载荷。现根据设计图纸，建立涵盖焊缝细节的车体有限元模型。该模型可以准确模拟车体焊缝处的刚度，大幅提高车体焊缝寿命的评估准确性。

在焊缝的选取上，由于没有必要对车体有限元模型上的所有焊缝都逐个进行疲劳寿命评估，因此采用等效结构应力法中的主S-N曲线法对车体有限元模型上的任意一条焊缝进行疲劳寿命评估。疲劳寿命评估原则是根据车体的焊接形式和车体的静强度分析结果来评估车体该部位的焊缝寿命。根据车体疲劳载荷工况的有限元计算结果，通过预测平台的主S-N曲线法模块提取的车体各工况有限元结果节点力，进一步计算出各焊缝结构应力和等效结构应力，最终得到各评估焊缝的结构应力。

4 影响重载铁路货车车体焊缝应力集中的因素

4.1 焊缝形状

焊缝可以分为角焊缝和对接焊缝，角焊缝和对接焊缝的形状很容易导致应力集中，降低焊接接头的疲劳强度。

4.2 焊接接头的几何不连续性

焊接接头的主要形式有对接、搭接、十字接头和丁字形，通常在焊接接头部位会出现缺陷（如裂纹、未焊透、未熔合、夹渣、咬边等），因此在焊接过程中应尽量避免或减少焊接接头的几何不连续，降低应力集中，以提高焊接接头的疲劳强度。

4.3 焊接缺陷

焊接的主要缺陷分为面状缺陷（如裂纹等）和体积型缺陷（如气孔、夹渣等），而焊接缺陷的方向、种类和位置对应力集中的影响是不同的。第一，未焊透是削弱焊接焊缝的截面面积和引起应力集中的主要因素。第二，冷、热裂纹等具有脆性的组织结构，能大幅降低车体结构或焊接接头的疲劳强度。第三，在焊接的过程中容易产生气孔，体积型缺陷的气孔同样可以减少截面的尺寸，导致应力集中。

5 重载铁路货车车体关键焊缝的疲劳寿命评估结果

本项目采用国际上最新的等效结构应力法中的主S-N曲线法，在纵向载荷和垂向载荷共同作用下，对重载铁路货车车体的关键焊接部位进行疲劳寿命评估。根据重载铁路货车车体有限元模型和疲劳载荷工况计算结果，在本项目研究的重载铁路货车车体上选取了39条关键焊缝进行疲劳寿命评估。在疲劳强度分析的基础上，对重载铁路货车车体的39条关键焊缝进行结构应力分析。最后，根据疲劳载荷谱和重载铁路货车车辆的年运行里程，对该车体的39条关键焊缝进行疲劳寿命评估。根据疲劳载荷工况计算结果，按线性关系分别换算车钩疲劳载荷、心盘疲劳载荷的等效结构应力，用线性累积疲劳损伤理论求出39条焊缝的累积损伤值以及寿命里程。因为空车工况对疲劳寿命影响较小，所以本次评估只给出重车合成的疲劳寿命预测结果。车体39条关键焊缝的疲劳预测结果显示，本项目研发的重车车体设计寿命里程为900万km，焊缝总疲劳寿命为30年，可满足重载铁路货车编组200辆、牵引吨位3万t以上的使用需要。

6 结语

焊接是目前世界各国铁路货车构件的主要连接方式，也是极易产生疲劳的部位。据不完全统计，世界各国铁路货车的疲劳事故绝大多数都发生在焊接部位。本文主要采用疲劳寿命分析方法对重载铁路货车车体的疲劳寿命进行分析，希望对我国重载铁路货车的车体焊接结构的抗疲劳性能分析提供一定的参考。