1 引言
高速舒適的動車組給旅客帶來方便、快捷的同時，也向各零部件提出了更高強度和壽命要求。枕梁是車體底架與轉(zhuǎn)向架連接的重要部件，受力較大，承擔全車的重量，并通過心盤將重量傳給走行部，若在列車運行中出現(xiàn)裂紋以至斷裂，將出現(xiàn)嚴重的后果。
為了保證枕梁的設計及制造質(zhì)量，相關(guān)標準明確提出了在滿足靜強度試驗要求的同時，要滿足疲勞試驗1000萬次的要求。為適合城際和干線鐵路低成本、制造簡單的要求，某城際動車組采用了焊接結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架枕梁。但在進行疲勞試驗進行到711萬次時，對枕梁進行磁粉探傷，在枕梁上蓋板折彎區(qū)域距外邊緣約110mm處出現(xiàn)了10mm長度左右的裂紋。
圖1 枕梁裂紋
2 裂紋原因分析
2.1 枕梁材料原因分析
枕梁采用鑄件與鋼板組合焊接而成，枕梁兩側(cè)端部為鑄件，所用材料為G20Mn5，機械性能參考《EN10213-3-1996耐壓鑄鋼件供貨條件第三部：低溫下使用的鋼》；枕梁中部采用鋼板焊接箱型結(jié)構(gòu)，鋼板材料為Q345E，機械性能參考《GB/T 1591-2008低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》。
枕梁試驗結(jié)束后，切割了裂紋區(qū)域部分材料進行了材料力學性能、工藝性能檢測和化學成分檢測，發(fā)現(xiàn)鑄鋼件中S、P含量比標準中略高，對材料的焊接性能造成一定影響，另外由于未提前對枕梁進行射線探傷，不能確定深層材料中是否存在微裂紋。
2.2 仿真計算原因分析
完成轉(zhuǎn)向架枕梁三維設計之后，為了滿足結(jié)構(gòu)運行的安全性，采用有限元法，應用大型通用工程仿真分析軟件ANSYS-Workbench，對枕梁進行靜強度分析。枕梁的剛度用其在剛度工況下枕梁的垂向變形值來校核，計算得到枕梁的變形最大值約為0.31mm，位置為枕梁端部。見圖2。
圖2 剛度工況下枕梁的變形云圖
枕梁各計算工況的最大當量應力出現(xiàn)部位及相應的許用應力如表1所示，圖3、圖4為超常載荷及運營載荷工況下轉(zhuǎn)向架枕梁的應力云圖。
表1 枕梁各載荷作用下的分析結(jié)果表（MPa）
計算結(jié)果表明：
圖3 超常載荷工況1下枕梁的應力云圖
圖4 運營載荷工況1下枕梁的應力云圖
由表1和圖2、3、4可看出，在各載荷工況作用下，枕梁上的最大當量應力值均小于材料的許用應力，雖滿足強度標準要求，但最大應力仍較高，且上蓋板與下蓋板組成比較剛度不協(xié)調(diào)，造成上蓋板折彎處變形較大，適配座與中間箱型結(jié)構(gòu)比較剛度不協(xié)調(diào)，造成上蓋板拉應力較大。
2.3 工藝因素
對材料進行了化學成分檢測之后，對焊縫也進行了檢測，焊縫存在微裂紋，焊縫也存有少量缺陷。
2.4 試驗因素
枕梁出現(xiàn)裂紋后對疲勞試驗工裝進行了檢測，發(fā)現(xiàn)某螺栓有松動現(xiàn)象，在試驗時易導致枕梁發(fā)生較大振動。
3 枕梁優(yōu)化方案設計
3.1 對枕梁料進行嚴格控制
首先對新枕梁原材料進行了多項材料性能檢測及射線探傷，對其化學成分進行了分析，均無問題后，開始進行加工。每項加工工藝完成后按標準進行超聲波探傷或磁粉探傷檢查。
3.2 設計方案優(yōu)化
改變原枕梁為上蓋板與筋板相連的結(jié)構(gòu)，改為下蓋板與筋板相連的結(jié)構(gòu)。首先利用Ansys軟件進行了剛度計算：優(yōu)化后的枕梁剛度比原枕梁剛度更為協(xié)調(diào)。
圖5 優(yōu)化后的枕梁剛度工況下的變形云圖
后進行強度分析計算得到了較為理想的結(jié)果：優(yōu)化后枕梁在超常載荷工況作用下，最大當量應力值為175.1MPa，運營載荷工況作用下，最大當量應力值為101.6MPa，比原枕梁的最大應力值小了約1/3。
圖6 運營載荷工況2下枕梁的應力云圖
3.3 工藝優(yōu)化
考慮到在加工枕梁上蓋板的折彎時，枕梁材料內(nèi)部容易出現(xiàn)微裂紋等多重因素，取消了枕梁上蓋板的折彎，降低了工藝難度，同時在對新枕梁進行焊接時，嚴格控制焊接工藝，焊后進行了探傷檢查。
圖7 原結(jié)構(gòu)
圖8 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)
3.4 試驗優(yōu)化
在對新枕梁試件進行靜強度與疲勞試驗期間，多次檢查試驗狀況，保證試驗期間試驗臺及其工裝無問題，無螺絲松動，保證了測試數(shù)據(jù)的正確性。
圖9 枕梁靜強度及疲勞試驗臺
4 結(jié)論
從材料、設計、生產(chǎn)工藝、試驗各個方面對枕梁出現(xiàn)裂紋的原因進行分析，并有針對性的對枕梁進行了優(yōu)化設計。利用ANSYS軟件驗證新枕梁滿足強度及疲勞標準要求后進入采購生產(chǎn)制造周期，在關(guān)鍵階段對物料和焊縫進行探傷檢測，保證了新枕梁的生產(chǎn)質(zhì)量。經(jīng)過上述優(yōu)化方案，在靜強度試驗中新枕梁的應力值遠小于許用應力，且在1000萬次的疲勞試驗未出現(xiàn)裂紋，順利的通過了型式試驗。
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