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摘要：通过对2E轴焊接构架式转向架构架旁承盒产生裂纹的分析，找出问题原因，提出相应处理意见和优化方案，并通过理论分析和实践验证，取得了明显的实效，以确保检修后车辆运行安全。
关键词：铁水车 转向架构架 裂纹 有限元分析 结构优化
1 引言
转向架焊接式构架在我国应用较晚，加之焊接制造生产工艺比较落后，近几年来，转向架焊接式构架频频发生疲劳裂纹，严重影响了焊接构架胡推广应用[1]。例如在对65t铁水车（见图1）进行检修过程中发现2E轴焊接构架式转向架构架部分旁承盒四角存在裂纹的出现，如图2所示。
构架是冶金车辆转向架其它零部件的安装基础，也是车辆的承载体和传力体，在车辆牵引运行中起到传递牵引力、制动力、横向力及垂向力的作用[2]。旁承盒是焊在构架心盘梁两端的关键组件，与弹性旁承一起在车辆运行中起到辅助承载和限制车辆侧滚振动的作用。因此，对65t铁水车转向架构架（以下简称“构架”）进行结构和工艺分析，通过有限元分析对构架进行强度计算（因运用频率次低，所以不进行疲劳分析），找出旁承盒裂纹的原因，确定合理的施修措施和优化方案，对今后提高车辆的运行性能和安全会起到很大帮助作用。
2 构架结构及强度分析
2.1 构架基本结构
按发生裂纹的结构尺寸建立模型，构架采用全钢板焊接结构，材料为Q345qE，是由箱型心盘梁及侧梁组成H型整体焊接构架。心盘梁、侧梁上下盖板的厚度为16mm，腹板及内置筋板的厚度为12mm。其结构图如图3所示。
该构架旁承盒侧板厚为12mm钢板，上部与上盖板平齐，如图4所示。
2.2 构架结构分析计算
以TB/T 1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》[3]为主要依据，利用I-DEAS有限元分析软件对构架进行结构静强度分析。
2.2.1 构架模型及单元划分
由于构架为对称结构，计算模型分析时取整体结构建立力学模型，建模过程中采用三维实体单元进行网格自由划分[4]。构架有限元模型见图5所示。
2.2.2 约束设置
根据车体实际受力情况在模型中施加相应的垂向、横向及侧向位移以及对称约束。
2.2.3 载荷计算
按整车和转向架的相关参数计算出构架加载载荷，载荷工况见表1
2.2.4 计算结果
上述最恶劣工况为组合第一工况，在该工况作用下，计算出最大应力为212MPa，发生在心盘梁上盖板盘承圆角处S1（如图6所示），略小于Q345qE的许用应力216MPa。
3 裂纹原因分析
3.1 从结构分析结果分析
3.1.1 在垂向总载荷和斜对称载荷的共同作用下，旁承盒圆角处S1是应力集中的位置，按TB/T 1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》计算出的应力为212 MPa，虽然小于Q345qE的许用应力216 MPa。但是，钢铁厂内线条件较差，线路三角坑严重，斜对称载荷会相应加大，斜对称载荷对旁承盒圆角处应力影响很大。
3.1.2 为了不影响旁承放入旁承盒内，该构架旁承盒侧板的压型圆角半径设计为8mm。根据冲压件设计原则，最小弯曲半径R≥0.8S（S为板厚）， 即当旁承盒板厚为12mm时，其压型圆角应不小于10mm，可见压型圆角设计偏小。我们对刚出厂不久的该转向架进行探伤检查，发现有部分转向架新出厂旁承盒圆角处即存在局部裂纹现象。
3.2 从制造工艺来分析
3.2.1 该处旁承盒侧板的圆角压型原采用了冷弯工艺，加之圆弧半径仅为8mm，如果采用了冷弯工艺，同时压型时如果又存在压型方向与钢板轧制纹路平行的问题，这样在压型圆角处容易产生微裂纹；该处又存在应力集中的问题，在使用过程中随着微裂纹的逐步扩展，导致旁承盒圆角发生裂纹并逐步向上盖板扩展，这也是裂纹发生的一个重要原因。
3.2.2 从现场刨开的焊缝来看，焊缝根部有虚焊、缺焊等现象，这说明旁承盒侧板底面焊缝并没有按图纸要求封焊。
3.2.3 上盖板旁承盒开口及其坡口采用手工切割，开口及坡口表面粗糙甚至氧化皮没除去就施焊。
3.2.4 由于上盖板压型不好，为保障两旁承盒间1520mm的尺寸，铆工会将开口加大，加上旁承盒压型后宽度偏小，会导致上盖板与旁承盒组装间隙过大，这样必然会产生极大的焊接应力，这也是裂纹发生的一个不可忽视的原因。
3.2.5 旁承侧板与上盖板开口位置应封口焊，但大部分没有封口。
3.3 裂纹再发生的分析
对于原裂纹修复处又产生裂纹的问题，我们认为除上述原因外，主要原因在于：一是现场焊接处理的条件有限，焊接质量及焊后处理不到位；二是焊修后并没有对旁承盒圆角因压型等原因而产生的微裂纹进行处理，从而导致了裂纹的再次发生。由于旁承盒圆角的裂纹没有处理，二次发生裂纹时，已裂至旁承盒的根部。见图7所示。
4 旁承盒裂纹后的处理
根据以上分析，专门针对转向架旁承盒裂纹制定处理及预防工艺方案，具体如下：
①除锈、污，进行磁粉探伤，确定裂纹的位置和尺寸。
②在裂纹末端前方15mm处为圆心钻直径为8mm-10mm的止裂孔。
③按照图8所示采用加工方法去除旁承盒拐角处的侧板及部分上盖板金属，打磨光滑，进行磁粉探伤检测，不允许存在毛细裂纹。
根据上述处理方案，对该方案也进行了有限元分析计算，在垂向总载荷和斜对称载荷的共同作用下，此时旁承盒圆角部位S2处的应力为157 MPa（如图10所示），该处应力与原212 MPa相比得到了明显的改善，也小于Q345qE的许用应力216 MPa。
通过前后对比，说明上述工艺方案合理可行，处理完成后可保证旁承盒处不再产生裂纹。
5 旁承盒结构设计和制造工艺优化
5.1 优化转向架结构设计
5.1.1 将旁承侧板由12mm加厚到16mm，同时将心盘梁腹板由12mm加厚到16mm。
5.1.2 将旁承侧板圆角半径加大到12mm。
我们对这新设计方案也进行了有限元计算，在边界条件及作用力相同的情况下，构架最大应力为152MPa，发生在心盘梁心盘垫板S3处，旁承盒S4处应力仅为88.4MPa，远小于原方案胡212MPa。其应力云图如图11所示。
5.2 优化工艺制造
5.2.1 上盖板旁承盒开口及其坡口采用机加工方法。
5.2.2 将旁承侧板圆角半径加大到12mm，压型工艺应采用热弯工艺，同时压型部位应进行探伤检查。
5.2.3 优化组装工艺，严控上盖板与旁承盒间的组装间隙。
5.2.4 严肃焊接工艺，严格按焊接工艺要求施焊。
5.2.5 旁承侧板与上盖板开口位置应注意封口焊，焊角不小于8mm。
6 结语
本文通过对2E轴焊接构架式转向架构架裂纹原因进行结构和工艺分析，并经过了有限元计算，得到了2E轴焊接构架式转向架旁承盒发生裂纹的原因，并针对问题提出了详细施修方法和优化改进意见。近两年来的实践证明，经过上述工艺方案施修或按优化方案新设计的焊接构架没有再次发生裂纹，确保了车辆安全运行。
参考文献：
[1] 鲍维千. 机车总体及转向架[M]. 北京：中国铁道出版社
[2] 李瑞霞.齐双强. GCY300Ⅱ型轨道车转向架强度分析与结构改进[J].机车电传动，2012（4）：74-77.
[3] TB/T 1335-1996，铁道车辆强度设计及试验鉴定规范[S].
[4] 米彩盈. 铁道机车车辆结构强度[M]. 成都：西南交通大学出版社
关键词：铁水车 转向架构架 裂纹 有限元分析 结构优化
1 引言
转向架焊接式构架在我国应用较晚，加之焊接制造生产工艺比较落后，近几年来，转向架焊接式构架频频发生疲劳裂纹，严重影响了焊接构架胡推广应用[1]。例如在对65t铁水车（见图1）进行检修过程中发现2E轴焊接构架式转向架构架部分旁承盒四角存在裂纹的出现，如图2所示。
构架是冶金车辆转向架其它零部件的安装基础，也是车辆的承载体和传力体，在车辆牵引运行中起到传递牵引力、制动力、横向力及垂向力的作用[2]。旁承盒是焊在构架心盘梁两端的关键组件，与弹性旁承一起在车辆运行中起到辅助承载和限制车辆侧滚振动的作用。因此，对65t铁水车转向架构架（以下简称“构架”）进行结构和工艺分析，通过有限元分析对构架进行强度计算（因运用频率次低，所以不进行疲劳分析），找出旁承盒裂纹的原因，确定合理的施修措施和优化方案，对今后提高车辆的运行性能和安全会起到很大帮助作用。
2 构架结构及强度分析
2.1 构架基本结构
按发生裂纹的结构尺寸建立模型，构架采用全钢板焊接结构，材料为Q345qE，是由箱型心盘梁及侧梁组成H型整体焊接构架。心盘梁、侧梁上下盖板的厚度为16mm，腹板及内置筋板的厚度为12mm。其结构图如图3所示。
该构架旁承盒侧板厚为12mm钢板，上部与上盖板平齐，如图4所示。
2.2 构架结构分析计算
以TB/T 1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》[3]为主要依据，利用I-DEAS有限元分析软件对构架进行结构静强度分析。
2.2.1 构架模型及单元划分
由于构架为对称结构，计算模型分析时取整体结构建立力学模型，建模过程中采用三维实体单元进行网格自由划分[4]。构架有限元模型见图5所示。
2.2.2 约束设置
根据车体实际受力情况在模型中施加相应的垂向、横向及侧向位移以及对称约束。
2.2.3 载荷计算
按整车和转向架的相关参数计算出构架加载载荷，载荷工况见表1
2.2.4 计算结果
上述最恶劣工况为组合第一工况，在该工况作用下，计算出最大应力为212MPa，发生在心盘梁上盖板盘承圆角处S1（如图6所示），略小于Q345qE的许用应力216MPa。
3 裂纹原因分析
3.1 从结构分析结果分析
3.1.1 在垂向总载荷和斜对称载荷的共同作用下，旁承盒圆角处S1是应力集中的位置，按TB/T 1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》计算出的应力为212 MPa，虽然小于Q345qE的许用应力216 MPa。但是，钢铁厂内线条件较差，线路三角坑严重，斜对称载荷会相应加大，斜对称载荷对旁承盒圆角处应力影响很大。
3.1.2 为了不影响旁承放入旁承盒内，该构架旁承盒侧板的压型圆角半径设计为8mm。根据冲压件设计原则，最小弯曲半径R≥0.8S（S为板厚）， 即当旁承盒板厚为12mm时，其压型圆角应不小于10mm，可见压型圆角设计偏小。我们对刚出厂不久的该转向架进行探伤检查，发现有部分转向架新出厂旁承盒圆角处即存在局部裂纹现象。
3.2 从制造工艺来分析
3.2.1 该处旁承盒侧板的圆角压型原采用了冷弯工艺，加之圆弧半径仅为8mm，如果采用了冷弯工艺，同时压型时如果又存在压型方向与钢板轧制纹路平行的问题，这样在压型圆角处容易产生微裂纹；该处又存在应力集中的问题，在使用过程中随着微裂纹的逐步扩展，导致旁承盒圆角发生裂纹并逐步向上盖板扩展，这也是裂纹发生的一个重要原因。
3.2.2 从现场刨开的焊缝来看，焊缝根部有虚焊、缺焊等现象，这说明旁承盒侧板底面焊缝并没有按图纸要求封焊。
3.2.3 上盖板旁承盒开口及其坡口采用手工切割，开口及坡口表面粗糙甚至氧化皮没除去就施焊。
3.2.4 由于上盖板压型不好，为保障两旁承盒间1520mm的尺寸，铆工会将开口加大，加上旁承盒压型后宽度偏小，会导致上盖板与旁承盒组装间隙过大，这样必然会产生极大的焊接应力，这也是裂纹发生的一个不可忽视的原因。
3.2.5 旁承侧板与上盖板开口位置应封口焊，但大部分没有封口。
3.3 裂纹再发生的分析
对于原裂纹修复处又产生裂纹的问题，我们认为除上述原因外，主要原因在于：一是现场焊接处理的条件有限，焊接质量及焊后处理不到位；二是焊修后并没有对旁承盒圆角因压型等原因而产生的微裂纹进行处理，从而导致了裂纹的再次发生。由于旁承盒圆角的裂纹没有处理，二次发生裂纹时，已裂至旁承盒的根部。见图7所示。
4 旁承盒裂纹后的处理
根据以上分析，专门针对转向架旁承盒裂纹制定处理及预防工艺方案，具体如下：
①除锈、污，进行磁粉探伤，确定裂纹的位置和尺寸。
②在裂纹末端前方15mm处为圆心钻直径为8mm-10mm的止裂孔。
③按照图8所示采用加工方法去除旁承盒拐角处的侧板及部分上盖板金属，打磨光滑，进行磁粉探伤检测，不允许存在毛细裂纹。
根据上述处理方案，对该方案也进行了有限元分析计算，在垂向总载荷和斜对称载荷的共同作用下，此时旁承盒圆角部位S2处的应力为157 MPa（如图10所示），该处应力与原212 MPa相比得到了明显的改善，也小于Q345qE的许用应力216 MPa。
通过前后对比，说明上述工艺方案合理可行，处理完成后可保证旁承盒处不再产生裂纹。
5 旁承盒结构设计和制造工艺优化
5.1 优化转向架结构设计
5.1.1 将旁承侧板由12mm加厚到16mm，同时将心盘梁腹板由12mm加厚到16mm。
5.1.2 将旁承侧板圆角半径加大到12mm。
我们对这新设计方案也进行了有限元计算，在边界条件及作用力相同的情况下，构架最大应力为152MPa，发生在心盘梁心盘垫板S3处，旁承盒S4处应力仅为88.4MPa，远小于原方案胡212MPa。其应力云图如图11所示。
5.2 优化工艺制造
5.2.1 上盖板旁承盒开口及其坡口采用机加工方法。
5.2.2 将旁承侧板圆角半径加大到12mm，压型工艺应采用热弯工艺，同时压型部位应进行探伤检查。
5.2.3 优化组装工艺，严控上盖板与旁承盒间的组装间隙。
5.2.4 严肃焊接工艺，严格按焊接工艺要求施焊。
5.2.5 旁承侧板与上盖板开口位置应注意封口焊，焊角不小于8mm。
6 结语
本文通过对2E轴焊接构架式转向架构架裂纹原因进行结构和工艺分析，并经过了有限元计算，得到了2E轴焊接构架式转向架旁承盒发生裂纹的原因，并针对问题提出了详细施修方法和优化改进意见。近两年来的实践证明，经过上述工艺方案施修或按优化方案新设计的焊接构架没有再次发生裂纹，确保了车辆安全运行。
参考文献：
[1] 鲍维千. 机车总体及转向架[M]. 北京：中国铁道出版社
[2] 李瑞霞.齐双强. GCY300Ⅱ型轨道车转向架强度分析与结构改进[J].机车电传动，2012（4）：74-77.
[3] TB/T 1335-1996，铁道车辆强度设计及试验鉴定规范[S].
[4] 米彩盈. 铁道机车车辆结构强度[M]. 成都：西南交通大学出版社