段東梅 王 飛

(寧波中車時代傳感技術(shù)有限公司 浙江 寧波 315000)

0 引言

城際列車運行速度為160 km/h，高速運行產(chǎn)生的內(nèi)外壓差[1]對客室側(cè)門的可靠性要求較高，為保證門系統(tǒng)的可靠性，需要對門系統(tǒng)進行一系列功能、性能試驗[2-3]。攜門架作為門扇的關(guān)鍵部件，對門扇支撐、傳動起著重要作用[4]，攜門架損壞直接影響門系統(tǒng)的安全性，攜門架的斷裂會直接導(dǎo)致門扇脫落，這在可靠性要求上是禁止的[5]。工程上對攜門架中軸承的卡滯、輕量化、動力學(xué)性能[6-8]等方面都進行過較深入的理論及實踐研究，對攜門架應(yīng)對交變載荷強度能力的研究較少，城際列車要求門系統(tǒng)能承受120萬次±2.6 kPa的交變氣動載荷，具體驗證按照標(biāo)準(zhǔn)《UIC-566客車車體和其他部件的裝載》執(zhí)行，交變載荷試驗是檢驗門系統(tǒng)在r=-1的對稱循環(huán)載荷[9]下，能否保持門系統(tǒng)正常運行的有效手段。

在實際工程中，攜門架采用普通碳鋼Q235進行焊接，門系統(tǒng)安裝調(diào)試后進行交變載荷試驗，兩次交變載荷試驗分別在進行到65萬次和43萬次時，攜門架發(fā)生斷裂，且斷裂部位相同，均在方管和底板連接的焊縫附近。為找出攜門架斷裂原因，對斷口形貌[10]、Q235材料強度[11-12]、焊縫質(zhì)量[13-14]進行分析，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計與焊接熱影響區(qū)[15-16]進行優(yōu)化與試驗驗證。

1 失效情況分析

斷口的宏觀界面如圖1所示，根據(jù)斷口斷裂形式及斷裂面，攜門架的斷裂處于方管和底板的焊縫附近，位于臺階孔的臺階處。根據(jù)斷口可見明顯的曲線斷裂紋路，斷口為暗灰色，截面較為平整，無顯著緊縮等塑性變形，且斷裂裂紋從臺階孔位置開始延伸至兩端，靠近邊緣處，斷口截面較為圓滑，為明顯擠壓后的痕跡。

圖1 攜門架斷口截面

金屬的斷裂分為很多種，一般按照斷裂前塑性變形的大小可分為疲勞斷裂、蠕變斷裂及脆性斷裂，其他類型的斷裂均為這三種斷裂的不同表現(xiàn)形式。從斷口宏觀狀態(tài)分析，蠕變斷裂通常會導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生明顯的尺寸變形，斷口產(chǎn)生塑性變形且變形區(qū)有很多裂紋。脆性斷裂沒有明顯的塑性變形，斷口顏色光亮，成晶粒狀，宏觀外貌上有裂紋擴展時留下的人字形線紋或放射性線紋。根據(jù)對攜門架的斷口分析，斷口宏觀外貌不符合蠕變斷裂及脆性斷裂特征，與疲勞斷裂特征相吻合。疲勞斷裂一般從應(yīng)力集中處和構(gòu)件表面開始，對于焊接件，疲勞往往從焊接接頭附近開始。此處斷口點位于攜門架底板與方管連接的焊縫附近的臺階孔處，符合疲勞斷裂的機理，通過以上分析判斷該攜門架斷裂屬于疲勞斷裂，攜門架經(jīng)過65萬次和43萬次發(fā)生斷裂，屬于高周疲勞斷裂。

結(jié)合攜門架使用材質(zhì)及疲勞斷裂機理，分析攜門架斷裂可能的原因如下:

(1)選材不當(dāng)，材料強度較低。

(2)焊接時，焊縫不合格。

(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計存在問題。

2 攜門架失效原因分析

2.1 攜門架材質(zhì)及強度分析

攜門架設(shè)計采用Q235的鋼板及型材進行焊接，其力學(xué)及化學(xué)成分執(zhí)行GB/T 700標(biāo)準(zhǔn)，對攜門架所用底板材料的同一批材料進行材質(zhì)成分熔煉分析，結(jié)果如表1所示。

表1 Q235材質(zhì)成分 /%

對材質(zhì)進行拉伸和沖擊試驗，測得其屈服強度及抗拉強度如表2所示。

表2 材料的力學(xué)性能 /(N·mm-2)

根據(jù)測試結(jié)果可判斷，該批次鋼板材質(zhì)及材料屈服強度、抗拉強度符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材質(zhì)要求。但是，Q235在經(jīng)過反復(fù)受載后，特別在r=-1的對稱循環(huán)力的作用下，強度會大幅降低，對于Q235，一般規(guī)定在經(jīng)過N0=107次循環(huán)后，其材料達到極限強度，經(jīng)查其極限強度[σ-1(彎曲)]=170～220 MPa。

對門扇、攜門架建立力學(xué)模型，假設(shè)：(1)攜門架與門扇為一體；(2)門扇不受其他約束(其他約束為輔助攜門架約束)；(3)門扇-攜門架受2.6 kPa氣壓力，攜門架與滑筒體連接處固定；(4)研究對象為斷裂處(存在應(yīng)力集中和臺階孔)；(5)氣壓集中力的位置與門扇的重心重合。基于以上假設(shè)，將門扇-攜門架簡化為一端固定的懸臂梁。

根據(jù)圖2中力的分析，可進行以下推導(dǎo)：

(1)

式中：F為門扇給攜門架的作用力；F0為研究部位受力；M0為研究部位處所受彎矩；P為門扇所受氣壓；S為門扇受壓面積；l為門扇受力中心點到攜門架研究部位的距離。本研究中：P=2.6 kPa，S=1.55 m2，l=0.308 m。根據(jù)彎矩圖可推導(dǎo)出：

(2)

式中：W為抗彎截面系數(shù)；σ為攜門架所受應(yīng)力；Mmax為攜門架研究部位所受最大彎矩。

由公式組(1)(2)，得出：σ=266 MPa≥[σ-1(彎曲)]

以上計算說明，攜門架在經(jīng)歷120萬次±2.6 kPa的交變載荷過程中，所受彎曲應(yīng)力大于其極限載荷應(yīng)力，因此攜門架有發(fā)生疲勞斷裂的風(fēng)險。

2.2 攜門架焊縫質(zhì)量分析

攜門架制作時先通過加工中心及車床對攜門架墊塊等進行機加工，而后采用氬弧焊進行各部件的焊接，焊接完成后的攜門架如圖3所示，對完成的工件進行目視檢測，攜門架焊縫無明顯缺陷。

圖3 攜門架焊接成品件

對攜門架采用磁粉探傷檢驗，產(chǎn)品放入工位，再進行充磁處理，停留45 s后，放入探傷射線處觀察，檢測結(jié)果顯示攜門架無裂紋、夾渣等缺陷。

2.3 攜門架結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

攜門架中各零件為鋼板直接焊接，焊縫設(shè)計如圖4所示，其中連接板、上墊塊、下墊塊與方管采用單邊V型坡口焊；上墊塊、下墊塊與方管之間分別采用雙邊V型坡口焊；底板與方管采用角焊縫焊接方式；如此，在焊接完成后，方管內(nèi)部形成一個封閉的空腔。

圖4 攜門架焊縫設(shè)計

在施焊過程中，由于焊接溫度場和焊接熱循環(huán)的影響，焊縫周圍產(chǎn)生空間的熱影響區(qū)。Q235的焊接接頭熱影響區(qū)如圖5所示，在熱影響區(qū)的過熱區(qū)C中，原始細小的晶粒會急劇粗化，遠遠超過正常晶粒長大的程度，異常長大的晶粒即粗晶，會導(dǎo)致該區(qū)金屬強度降低，脆性增大，該區(qū)是焊接接頭的薄弱地帶，在冷卻時，由于溫度仍高于晶粒嚴重長大的溫度，導(dǎo)致晶粒繼續(xù)長大、粗化，進一步降低了材料的強度與韌性。焊接時方管內(nèi)密封的空間，導(dǎo)致焊接產(chǎn)生的熱量不能及時散出，方管內(nèi)外溫差增大，加劇了過熱區(qū)C的擴大。

圖5 Q235焊接熱影響區(qū)

在熱影響區(qū)中，E區(qū)為不完全結(jié)晶區(qū)，該區(qū)域中部分晶粒發(fā)生相變結(jié)晶過程，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體而后再轉(zhuǎn)變成更細小的珠光體，部分晶粒未發(fā)生轉(zhuǎn)變，即未能融入奧氏體的鐵素體成為粗大的鐵素體，最后組織為晶粒尺寸不均，該區(qū)材料的屈服強度降低。同時，在進行方管與底板焊接時，方管為四周焊接，沒有收縮切口，導(dǎo)致方管與底板的焊接變形無法釋放產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。

殘余應(yīng)力和晶粒的粗大導(dǎo)致方管與底板焊縫附近的材料強度降低、韌性降低，在臺階孔處，本就存在應(yīng)力集中，在交變載荷試驗中，頻率為3 Hz，產(chǎn)生較大的沖擊，工作應(yīng)力、殘余應(yīng)力及應(yīng)力集中最終使攜門架發(fā)生斷裂。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗證

根據(jù)以上原因分析，優(yōu)化攜門架的途徑有2個：提高材料強度以及弱化焊縫處的熱影響區(qū)的影響。

攜門架材質(zhì)更改為Q345，經(jīng)查經(jīng)過107次交變力循環(huán)后的疲勞極限強度σ-1(Q345)=320 MPa，σ-1(Q345)/σ=1.2，而標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中交變載荷只需完成120萬次循環(huán)，故實際安全系數(shù)要大于1.2，滿足工程設(shè)計要求的安全系數(shù)。

熱影響區(qū)是由于焊接工藝產(chǎn)生，無法避免，且此處臺階孔為攜門架與門扇的接口孔位，位置無法改變，所以只能通過其他方式改變攜門架結(jié)構(gòu)，對攜門架進行如圖6所示的改進，在底板上開方孔，打破方管內(nèi)部的封閉環(huán)境，方孔既可作為底板與方管焊接的收縮切口，減小焊接變形，又可在焊接時及時釋放焊接熱量，緩解晶粒粗大。焊接完成后，對攜門架進行去應(yīng)力退火，細化晶粒。

圖6 優(yōu)化后的攜門架結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的攜門架在門系統(tǒng)上按照標(biāo)準(zhǔn)《UIC-566客車車體和其他部件的裝載》對門系統(tǒng)進行的交變載荷試驗(見圖7)，門系統(tǒng)放置于臺架上，在經(jīng)過120萬次2.6 kPa交變氣壓載荷后，門系統(tǒng)完整，各項性能完整無異常。

圖7 門系統(tǒng)交變載荷試驗

4 總結(jié)

通過以上分析，攜門架斷裂的主要原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計上形成的密封腔加劇了熱影響區(qū)的影響，同時沒有消除殘余應(yīng)力導(dǎo)致其強度、韌性降低。后續(xù)經(jīng)消除密封腔及焊后去應(yīng)力退火等設(shè)計優(yōu)化，研發(fā)出了滿足《UIC-566客車車體和其他部件的裝載》使用的攜門架，該產(chǎn)品已得到客戶認定，將應(yīng)用于綠巨人、城際列車等車門系統(tǒng)。