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摘要：文章针对某动车组枕梁在进行疲劳试验时出现了裂纹的问题，从材料、设计、生产工艺、试验各个方面对枕梁出现裂纹的原因进行分析。借助ANSYS软件及探伤检查等方法，对枕梁进行了优化设计和工艺控制，优化后的枕梁顺利通过了强度及疲劳试验。
关键词：仿真试验平台；动车组；枕梁优化；疲劳试验
中图分类号：U270 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）29-0026-03
1 概述
高速舒适的动车组给旅客带来方便、快捷的同时，也向各零部件提出了更高强度和寿命要求。枕梁是车体底架与转向架连接的重要部件，受力较大，承担全车的重量，并通过心盘将重量传给走行部，若在列车运行中出现裂纹以至断裂，将出现严重的后果。
为了保证枕梁的设计及制造质量，相关标准明确提出了在满足静强度试验要求的同时，要满足疲劳试验1000万次的要求。为适合城际和干线铁路低成本、制造简单的要求，某动车组采用了焊接结构的转向架枕梁。但在疲劳试验进行到711万次时，对枕梁进行磁粉探伤，在枕梁上盖板折弯区域距外边缘约110mm处出现了10mm长度左右的
裂纹。
2 裂纹原因分析
2.1 枕梁材料原因分析
枕梁采用铸件与钢板组合焊接而成，枕梁两侧端部的适配器为铸件，所用材料为G20Mn5；枕梁中部采用钢板焊接箱型结构，钢板材料为Q345E。抗蛇形减振器座为铸件，所用材料为G20Mn5。牵引销为铸件，所用材料为C级钢。各零部件的力学性能如表1。
枕梁试验结束后，切割了裂纹区域部分材料进行了材料力学性能、工艺性能检测和化学成分检测，发现铸钢件中S、P含量比标准中略高，对材料的焊接性能造成一定影响，另外由于未提前对枕梁进行射线探伤，不能确定深层材料中是否存在微裂纹。
2.2 仿真计算原因分析
2.2.1 计算方法。完成转向架枕梁三维设计之后，为了验证结构的安全性，采用有限元法，应用大型通用工程仿真分析软件ANSYS-Workbench进行仿真分析。计算中对模型进行有限元离散时采用三维实体单元solid 92。该枕梁及与其配合的减振器座、牵引中心销、抗侧滚扭杆和连接紧固件的总体有限元结构离散图如图1所示，整个模型共离散成185510个实体单元，341972个节点。螺栓与枕梁、减振器座、中心销之间采用接触单元，以模拟其之间的装配关系。
2.2.2 边界条件。为尽量模拟真实的情况，在仿真计算时对枕梁相应位置施加一定的位移约束，具体位置如图1所示。在仿真计算中，在空气弹簧座部位施加垂向载荷，横向载荷分别施加在横向止挡座和空气弹簧座上，对中心销施加纵向冲击或牵引载荷，抗蛇形减振器在螺栓孔处施加纵向载荷。
2.2.3 载荷计算及工况。计算载荷及工况依据标准TB/T2637-2008《铁路客车转向架构架、摇枕及摇动台》（以下简称TB/T2637-2008）和UIC615-4《动力车-转向架和走行装置-转向架构架结构强度试验》（以下简称UIC615-4）。
2.2.4 计算结果。枕梁的刚度用其在刚度工况下枕梁的垂向变形值来校核，计算得到枕梁的变形最大值约为0.31mm，位置为枕梁端部，见图2。
由表3和图2、3、4可看出，在各载荷工况作用下，枕梁上的最大当量应力值均小于材料的许用应力，虽满足强度标準要求，但最大应力仍较高，且上盖板与下盖板组成比较刚度不协调，造成上盖板折弯处变形较大，适配座与中间箱型结构比较刚度不协调，造成上盖板拉应力较大。
2.3 工艺因素
北美铁路协会AAR的统计资料表明，铸造缺陷是摇枕在运用中发生疲劳裂纹的主要原因。枕梁的制造工艺与其出现疲劳裂纹现象密切相关，对材料进行了化学成分检测之后，对焊缝也进行了检测，焊缝存在微裂纹，也存有少量未熔合、气孔等缺陷。
2.4 试验因素
枕梁静强度及疲劳试验在电液伺服疲劳时试验台上进行，枕梁的静强度试验包括超常载荷试验和运营载荷试验，超常载荷试验载荷包括模拟直线运行试验载荷、模拟曲线运行载荷试验、调车冲击（5g加速度）载荷、抗蛇形减振器载荷。运营载荷试验载荷包括模拟直线运行试验载荷、模拟曲线运行试验载荷、抗蛇形减振器载荷。枕梁的疲劳试验包括模拟曲线运行载荷试验、驱动载荷试验。
由于试验期间未对枕梁疲劳试验情况进行实时监控，枕梁出现裂纹后对疲劳试验工装进行了检测，发现某螺栓有松动现象，在试验时易导致枕梁发生较大振动，增加了枕梁出现裂纹的概率。
3 枕梁优化方案
3.1 对枕梁料进行严格控制
首先对新枕梁原材料进行了多项材料性能检测及射线探伤，对其化学成分进行了分析，均无问题后，开始进行加工。每项加工工艺完成后按标准进行超声波探伤或磁粉探伤检查。
3.2 设计方案优化
改变原枕梁为上盖板与筋板相连的结构，改为下盖板与筋板相连的结构，利用ANSYS软件进行了刚度计算：优化后的枕梁刚度比原枕梁刚度更为协调。
完成静强度计算后，采用疲劳应力因数对枕梁结构的疲劳强度进行校核，参照ORE B12/RP17（82）提供的钢材疲劳极限图，利用模拟运营的各个载荷工况分别对枕梁关键的22条焊缝的应力因数进行分析，只有一条焊缝的应力因数为0.791，应力等级为中级。其余各关键部位应力因数均小于0.75，应力等级较低。
3.3 工艺优化
考虑到在加工枕梁上盖板的折弯时，枕梁材料内部容易出现微裂纹等多重因素，取消了枕梁上盖板的折弯，降低了工艺难度，同时对所有的焊接接头按EN15085标准设计。在对新枕梁进行焊接之前，对作业环境进行了清洁，彻底防护有害灰尘、金属粉、油脂类以及湿气，并采用专用检测模具对物料进行了严格的检查，以保证装配尺寸，避免未焊满、余高过高、焊缝有效厚度不足等问题，另外用不锈钢丝刷打磨待焊部位，清除了氧化膜。在严格按照图纸规定的焊接方法进行焊接时，也采取了一系列措施保证了焊接质量：如在用砂轮机清根和清除焊接缺陷时，保证焊接部分不被油脂等污染；使用等离子进行表面切割，充分去除表面氧化物；注意弧坑部的填补，若出现弧烧必须进行重新焊接。
焊接完毕后，对焊缝区域进行了高速打磨，并进行了RT探伤（射线探伤）检查，若有缺陷再进行焊接修补，然后重新进行RT检查，直至合格为止。
3.4 试验优化
在对新枕梁试件进行静强度与疲劳试验期间，多次检查试验状况，保证试验期间试验台及其工装无问题，无螺丝松动，保证了测试数据的正确性。
4 结语
从材料、设计、生产工艺、试验各个方面对枕梁出现裂纹的原因进行分析，并有针对性地对枕梁进行了优化设计。经ANSYS软件验证，新枕梁强度比原枕梁大幅降低，满足相关强度及疲劳标准要求后进入采购生产制造周期，在关键阶段对物料和焊缝进行探伤检测，保证了新枕梁的生产质量。经过上述优化方案，在静强度试验中新枕梁的应力值远小于许用应力，且在1000万次的疲劳试验未出现裂纹，顺利地通过了型式试验。
参考文献
[1] 萱士鸿.25T型客车车底架枕梁结构的改进[J].机械
工程师，2007，（5）.
[2] 动力车-转向架和走行装置-转向架构架结构强度试
验（UIC615-4）[S].
[3] 铁路客车转向架构架、摇枕及摇动台（TB/T2637-
2008）[S].
[4] 动力转向架构架强度试验方法（TB/T2368-2005）
[S].
[5] 王丹丹.转K6转向架摇枕载荷谱测试与疲劳寿命评估
[D].北京交通大学，2007.
[6] 任良军，韩志卫，胡寻新.300km/h动车组枕梁、牵
引梁三角补强焊接工艺[J].机车车辆工艺，2011，
（3）30-31.
基金项目：铁道部科技项目（项目编号：2012J003-C）
作者简介：张相宁，男，河北辛集人，唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心工程师，工学硕士，研究方向：轨道车辆仿真计算。
关键词：仿真试验平台；动车组；枕梁优化；疲劳试验
中图分类号：U270 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）29-0026-03
1 概述
高速舒适的动车组给旅客带来方便、快捷的同时，也向各零部件提出了更高强度和寿命要求。枕梁是车体底架与转向架连接的重要部件，受力较大，承担全车的重量，并通过心盘将重量传给走行部，若在列车运行中出现裂纹以至断裂，将出现严重的后果。
为了保证枕梁的设计及制造质量，相关标准明确提出了在满足静强度试验要求的同时，要满足疲劳试验1000万次的要求。为适合城际和干线铁路低成本、制造简单的要求，某动车组采用了焊接结构的转向架枕梁。但在疲劳试验进行到711万次时，对枕梁进行磁粉探伤，在枕梁上盖板折弯区域距外边缘约110mm处出现了10mm长度左右的
裂纹。
2 裂纹原因分析
2.1 枕梁材料原因分析
枕梁采用铸件与钢板组合焊接而成，枕梁两侧端部的适配器为铸件，所用材料为G20Mn5；枕梁中部采用钢板焊接箱型结构，钢板材料为Q345E。抗蛇形减振器座为铸件，所用材料为G20Mn5。牵引销为铸件，所用材料为C级钢。各零部件的力学性能如表1。
枕梁试验结束后，切割了裂纹区域部分材料进行了材料力学性能、工艺性能检测和化学成分检测，发现铸钢件中S、P含量比标准中略高，对材料的焊接性能造成一定影响，另外由于未提前对枕梁进行射线探伤，不能确定深层材料中是否存在微裂纹。
2.2 仿真计算原因分析
2.2.1 计算方法。完成转向架枕梁三维设计之后，为了验证结构的安全性，采用有限元法，应用大型通用工程仿真分析软件ANSYS-Workbench进行仿真分析。计算中对模型进行有限元离散时采用三维实体单元solid 92。该枕梁及与其配合的减振器座、牵引中心销、抗侧滚扭杆和连接紧固件的总体有限元结构离散图如图1所示，整个模型共离散成185510个实体单元，341972个节点。螺栓与枕梁、减振器座、中心销之间采用接触单元，以模拟其之间的装配关系。
2.2.2 边界条件。为尽量模拟真实的情况，在仿真计算时对枕梁相应位置施加一定的位移约束，具体位置如图1所示。在仿真计算中，在空气弹簧座部位施加垂向载荷，横向载荷分别施加在横向止挡座和空气弹簧座上，对中心销施加纵向冲击或牵引载荷，抗蛇形减振器在螺栓孔处施加纵向载荷。
2.2.3 载荷计算及工况。计算载荷及工况依据标准TB/T2637-2008《铁路客车转向架构架、摇枕及摇动台》（以下简称TB/T2637-2008）和UIC615-4《动力车-转向架和走行装置-转向架构架结构强度试验》（以下简称UIC615-4）。
2.2.4 计算结果。枕梁的刚度用其在刚度工况下枕梁的垂向变形值来校核，计算得到枕梁的变形最大值约为0.31mm，位置为枕梁端部，见图2。
由表3和图2、3、4可看出，在各载荷工况作用下，枕梁上的最大当量应力值均小于材料的许用应力，虽满足强度标準要求，但最大应力仍较高，且上盖板与下盖板组成比较刚度不协调，造成上盖板折弯处变形较大，适配座与中间箱型结构比较刚度不协调，造成上盖板拉应力较大。
2.3 工艺因素
北美铁路协会AAR的统计资料表明，铸造缺陷是摇枕在运用中发生疲劳裂纹的主要原因。枕梁的制造工艺与其出现疲劳裂纹现象密切相关，对材料进行了化学成分检测之后，对焊缝也进行了检测，焊缝存在微裂纹，也存有少量未熔合、气孔等缺陷。
2.4 试验因素
枕梁静强度及疲劳试验在电液伺服疲劳时试验台上进行，枕梁的静强度试验包括超常载荷试验和运营载荷试验，超常载荷试验载荷包括模拟直线运行试验载荷、模拟曲线运行载荷试验、调车冲击（5g加速度）载荷、抗蛇形减振器载荷。运营载荷试验载荷包括模拟直线运行试验载荷、模拟曲线运行试验载荷、抗蛇形减振器载荷。枕梁的疲劳试验包括模拟曲线运行载荷试验、驱动载荷试验。
由于试验期间未对枕梁疲劳试验情况进行实时监控，枕梁出现裂纹后对疲劳试验工装进行了检测，发现某螺栓有松动现象，在试验时易导致枕梁发生较大振动，增加了枕梁出现裂纹的概率。
3 枕梁优化方案
3.1 对枕梁料进行严格控制
首先对新枕梁原材料进行了多项材料性能检测及射线探伤，对其化学成分进行了分析，均无问题后，开始进行加工。每项加工工艺完成后按标准进行超声波探伤或磁粉探伤检查。
3.2 设计方案优化
改变原枕梁为上盖板与筋板相连的结构，改为下盖板与筋板相连的结构，利用ANSYS软件进行了刚度计算：优化后的枕梁刚度比原枕梁刚度更为协调。
完成静强度计算后，采用疲劳应力因数对枕梁结构的疲劳强度进行校核，参照ORE B12/RP17（82）提供的钢材疲劳极限图，利用模拟运营的各个载荷工况分别对枕梁关键的22条焊缝的应力因数进行分析，只有一条焊缝的应力因数为0.791，应力等级为中级。其余各关键部位应力因数均小于0.75，应力等级较低。
3.3 工艺优化
考虑到在加工枕梁上盖板的折弯时，枕梁材料内部容易出现微裂纹等多重因素，取消了枕梁上盖板的折弯，降低了工艺难度，同时对所有的焊接接头按EN15085标准设计。在对新枕梁进行焊接之前，对作业环境进行了清洁，彻底防护有害灰尘、金属粉、油脂类以及湿气，并采用专用检测模具对物料进行了严格的检查，以保证装配尺寸，避免未焊满、余高过高、焊缝有效厚度不足等问题，另外用不锈钢丝刷打磨待焊部位，清除了氧化膜。在严格按照图纸规定的焊接方法进行焊接时，也采取了一系列措施保证了焊接质量：如在用砂轮机清根和清除焊接缺陷时，保证焊接部分不被油脂等污染；使用等离子进行表面切割，充分去除表面氧化物；注意弧坑部的填补，若出现弧烧必须进行重新焊接。
焊接完毕后，对焊缝区域进行了高速打磨，并进行了RT探伤（射线探伤）检查，若有缺陷再进行焊接修补，然后重新进行RT检查，直至合格为止。
3.4 试验优化
在对新枕梁试件进行静强度与疲劳试验期间，多次检查试验状况，保证试验期间试验台及其工装无问题，无螺丝松动，保证了测试数据的正确性。
4 结语
从材料、设计、生产工艺、试验各个方面对枕梁出现裂纹的原因进行分析，并有针对性地对枕梁进行了优化设计。经ANSYS软件验证，新枕梁强度比原枕梁大幅降低，满足相关强度及疲劳标准要求后进入采购生产制造周期，在关键阶段对物料和焊缝进行探伤检测，保证了新枕梁的生产质量。经过上述优化方案，在静强度试验中新枕梁的应力值远小于许用应力，且在1000万次的疲劳试验未出现裂纹，顺利地通过了型式试验。
参考文献
[1] 萱士鸿.25T型客车车底架枕梁结构的改进[J].机械
工程师，2007，（5）.
[2] 动力车-转向架和走行装置-转向架构架结构强度试
验（UIC615-4）[S].
[3] 铁路客车转向架构架、摇枕及摇动台（TB/T2637-
2008）[S].
[4] 动力转向架构架强度试验方法（TB/T2368-2005）
[S].
[5] 王丹丹.转K6转向架摇枕载荷谱测试与疲劳寿命评估
[D].北京交通大学，2007.
[6] 任良军，韩志卫，胡寻新.300km/h动车组枕梁、牵
引梁三角补强焊接工艺[J].机车车辆工艺，2011，
（3）30-31.
基金项目：铁道部科技项目（项目编号：2012J003-C）
作者简介：张相宁，男，河北辛集人，唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心工程师，工学硕士，研究方向：轨道车辆仿真计算。