搭接焊缝和对接焊缝的抗疲劳性能对比

高晓霞，曹永志，陈凤艳，赵家明，孙晖东

（唐山轨道客车有限责任公司，1.工程师，2.助理工程师；河北 唐山 063035）

唐山轨道客车有限责任公司设计的某出口客车转向架构架，经一段时间运营后，侧梁与发电机吊架之间的搭接焊缝处出现微裂纹，为了解决此问题，本文分别依据JIS E 4207:2004《Truck frames for railway rolling stock-General rules for design》〔1〕（简称JIS4207）和国际焊接协会（IIW）标准XIII-1539-1996/XV-845-1996:《Fatigue Design of Welded Joints and Compponents》〔2〕（简称 IIW 标准），分析论证了将此处的搭接焊缝改为对接焊缝，可提高该部位的疲劳使用寿命。

依据IIW标准进行抗疲劳性能预测：通过有限元分析，计算出两种形式的焊缝其应力的最大变化范围Δσ，然后根据IIW标准来计算疲劳寿命。

依据JIS4207标准进行抗疲劳性能预测：通过有限元分析，计算出两种形式的焊缝其应力幅值的最大值和相应的平均应力，将两值置于相应材料的应力极限图中，对其结果进行比较。

1 计算载荷及工况

该转向架构架主要技术参数：轴重17 t，发电机质量132 kg，构架和发电机吊架所用钢板材质为Q235。

1.1 计算载荷 侧梁与发电机吊架的连接焊缝处主要载荷为制动载荷和发电机悬吊载荷。

1）制动载荷：F=Pstμg

式中：Pst为轴重；

μ为轮轨间的摩擦系数，取0.25；

g为重力加速度，取9.81m/s2。

计算得出一个转向架所受的制动载荷为83.385 kN，一个转向架装有8个制动吊架，则每个制动吊架上的制动载荷约为10.4 kN。

2）发电机悬吊载荷：对发电机悬吊载荷的计算国内外均没有标准规定，在这里引用JIS 4207对电机悬吊载荷的规定进行补充。发电机质量P=132 kg。其中：

垂向载荷F=（1±5）Pg=（1±5）×9.81×132=7.8 kN/-5.2 kN；

横向载荷F=±4 Pg=±4×9.81×132=±5.2 kN；

纵向载荷F=±3 Pg=±3×9.81×132=±3.9 kN。

1.2 计算工况 针对以上载荷，选取两种运营中极限载荷工况进行计算，具体工况如表1所示。

表1 计算工况

2 有限元计算分析

本文分别对侧梁与发电机吊架之间的搭接焊缝与对接焊缝的抗疲劳性能进行评定，选取局部侧梁与发电机吊架作为分析对象建立有限元模型。

2.1 搭接焊缝有限元模型计算 根据工况1和工况2载荷作用下的计算结果，得到搭接焊缝的应力值（见表2）。搭接焊缝有限元模型见图1。

表2 搭接焊缝的应力值

图1 搭接焊缝有限元模型

2.2 对接焊缝有限元模型计算 对接焊缝有限元模型见图2。根据工况1和工况2载荷作用下的计算结果，得到对接焊缝的应力值（见表3）。

图2 对接焊缝有限元模型

表3 对接焊缝的应力值

3 两种焊缝的抗疲劳性能评定

3.1 依据国际焊接IIW标准进行评定 将两连接焊缝处的结构细节与IIW标准中的表3.2-1（Fatigue resistance values for structural details in steelassessed on the basisofnormalstresses－基于标称应力的钢结构细节疲劳强度值列表）中提供的结构细部对比，选择适合于本结构的横向承载的搭接焊缝类型和横向承载的对接焊缝类型。搭接焊缝的Fat值为63，对接焊缝的Fat值为71。

根据选取的搭接焊缝和对接焊缝的Fat值，由IIW 标 准 中 的 表 4（Constants，constant amplitude fatigue limitand cut-off limits－S－N曲线的常数C，等幅疲劳极限及截断极限）中选择相应的S-N数据。

表4 IIW表4常数，常幅疲劳极限和截止极限（本文仅选取了fat值为71和63的数据） 单位：MPa

疲劳损伤率计算公式为

为保守起见，分别选取表2、表3中搭接焊缝和对接焊缝应力幅值最大的节点进行评定，搭接焊缝节点号为28393；对接焊缝节点号为168792。依据上式，得出对接焊缝的疲劳损伤率为0.003，而搭接焊缝的疲劳损伤率为0.38，由此可以得出对接焊缝的抗疲劳性能优于搭接焊缝。

3.2 依据JIS4207标准进行评定 将表2、表3中搭接焊缝与对接焊缝上各节点的应力幅值与其平均应力置于Q235钢材的应力极限图中，得出结果（见图3、图4所示）。从图中可以看出，在相同的运营条件下，搭接焊缝上节点应力幅值最大为36.87MPa，对接焊缝上节点应力幅值最大为16.46MPa，因此对比两种焊缝，对接焊缝的抗疲劳性能优于搭接焊缝。

图3 搭接焊接的应力极限图

图4 对接焊缝应力极限图

4 结束语

本文仅借用IIW标准和JIS 4207标准分别对转向架构架侧梁和发电机吊架间的搭接焊缝与对接焊缝的抗疲劳性能做了对比，两个标准的对比结果均表明侧梁和发电机吊架之间采用对接焊缝的抗疲劳性能优于搭接焊缝。因此，焊接于构架上的各部件与构架的焊缝采用对接焊缝型式，对于日后的设计及生产具有指导意义。目前，针对构架上焊接吊架的疲劳评定并没有专门的标准，建议企业或铁道部制定相关标准为设计、生产及制造提供计算或参考依据，以满足实际需要。

〔1〕JIS E 4207:2004《Truck frames for railway rolling stock-General rules for design》。

〔2〕国际焊接协会（IIW）标准：XIII-1539-1996/XV-845-1996:《Fatigue Design ofWelded Joints and Compponents》。

〔3〕高晓霞，杨军永，李晓峰，构架疲劳损伤评估研究〔J〕.铁道车辆，2010，48（5）：6-9。

〔4〕安琪，李芾，黄运华等，基于JIS标准的转向架焊接构架疲劳强度评估〔J〕.机车电传动，2009，4：26-29。