重载铁路货车焊接构件抗疲劳性能

孟 勐

(齐齐哈尔工程学院，黑龙江，齐齐哈尔 161005)

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)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它部件重量所组成。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。(2)垂向动载荷。因为车体本身状态不良(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。(3)侧向力。侧向力是作用在车体上的风力和离心力。当重载铁路货车运行时，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，此时车体所受到的侧向力为风力与离心力之和。(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以使车体发生扭转。因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已进入到缓和曲线时，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，这些状态都可以使重载铁路货车车体产生扭转。 (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压缩的作用力，这个作用力通过车体底架的板座将力传递于车体上，会引发车体产生变形。

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，都对材料产生一定量的损伤，如果累积损伤之和等于1时，即可认定出现疲劳破坏。

2.2 ASME疲劳评价标准

ASME标准中采纳了网格不敏感结构应力法计算方法，该方法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，是一种最新用来评估焊接结构的疲劳寿命方法。

2.3 2种疲劳标准的比较

这2种疲劳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，被评估的焊缝接头形式与提数据库中的焊缝接头形式吻合，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，并赋予了一个全新的概念，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优方法。在进行计算时，基于一条主 S-N曲线数学模型，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。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所有的焊缝都逐个进行疲劳寿命评估，因此选择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，疲劳寿命评估的焊缝选取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，提取车体各工况有限元结果的节点力，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

(1)焊缝的形状。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。

(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(例如裂纹、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，从而提高焊接接头的疲劳强度。

(3)焊接的缺陷。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)，焊接缺陷的方向、种类和位置对应力集中的影响是不同的。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。另外，像冷、热裂纹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。同时，在焊接的过程中容易产生气孔，体积缺陷的气孔同样可以减小截面的尺寸，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，对项目研发C80型不锈钢敞车车体的关键焊接部位进行疲劳寿命评估。

根据C80型不锈钢敞车车体的有限元模型和疲劳载荷工况计算结果，在本项目研究的C80型不锈钢敞车车体上选取了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。

6 重载铁路货车车体的抗疲劳设计

根据本项目疲劳载荷工况相关的计算结果，按照线性关系对车钩疲劳载荷和心盘疲劳载荷的等效结构应力分别进行换算。采用线性累积疲劳损伤理论计算出C80型不锈钢敞车车体的各焊缝寿命里程和累积损伤值。由于C80型不锈钢敞车车体的空车工况对疲劳寿命预测的影响不大。因此，只给出重车的疲劳寿命预测结果。

(1)在重新改进设计的车体有限元模型中，第28条关键焊缝和第29关键条焊缝是车体地板与枕梁上盖板的焊缝，由于第28条关键焊缝和第29条关键焊缝的起始位置有一段距离是不焊的，因此，第28条关键焊缝和第29条关键焊缝的起始位置非常容易产生应力集中，导致焊缝的疲劳寿命达不到预期的设计要求。通过对车体结构的这个位置进行改进，具体措施是增加一块T型筋板，T型筋板焊接在地板和枕梁上盖板相接的位置处。

(2)改进设计后的车体关键焊缝的疲劳寿命预测结果显示，新增加T型筋板结构不会对车体的总质量有大的影响，但改进设计后的第28条关键焊缝和第29条关键焊缝的疲劳寿命有明显的提高，而且增加T型筋板结构后产生的全部新焊缝均满足疲劳寿命的预期要求。

车体结构改进设计后，第28条关键焊缝的最短节点寿命从原来的13.5年提高到407年，寿命提高了30倍；第29条关键焊缝的最短节点寿命从原来的24.1年提高到170年，寿命提高了将近7倍。新增的焊缝，全部满足疲劳寿命设计要求。根据对车体39条关键焊缝的疲劳预测结果，本项目研发的C80型不锈钢敞车车体设计寿命里程为900万km，焊缝总寿命为30年。可满足重载铁路货车编组200辆、牵引3万t位以上的使用需要。