关键词：地铁；转向架；构架开裂
近几年国家大力推进新基建的建设，与地铁运输密切相关的城际高速与城市轨道交通投资规模约在6000亿以上，这将促进轨道交通行业的创新和发展。转向架构架出现开裂，是影响列车运行的诸多故障中较为常见的情况之一。在现实的地铁运营过程中，为减少地铁列车转向架构架发生裂纹，首先需要对转向架架构进行定时检修和更换，并分析开裂原因，及时做出优化，从而实现高效运行。
一、转向架及其作用
现在绝大多数地铁列车采用的转向架结构是：特定的构架或侧架将两个或几个轮对组合而成。转向架是带动地铁列车运行的关键结构，如同列车的“下肢”一样，主要用来承重并传递各种作用力。
地铁转向架在地铁列车结构中主要起什么作用？
1）转向架主要的功能有：提高车辆的载重、长度与容积和运行速度；
2）保证在正常运行时，车体能坐落在转向架上，通过轴承装置使车轮滚动转化为车体平动；
3）支撑并带动车体运行。转向架能够传递并均匀分配车体，车轮和轨道之间的各种载荷及作用力。
4）转向架可以实现车辆安全运行，平稳地通过直线和曲线轨道。
5）转向架的结构留有空间安装弹簧减振装置，能够更好地缓和车辆和铁轨之间的相互作用，减小振动和冲击和动应力，从而保证地铁列车平稳安全运行。
6）转向架可以利用轨道传递牵引力和制动力，优化制动效果，从而地铁列车在规定的距离内能够平稳地停止行使。
7）转向架和车体的工作模式相对独立。因此转向架与车体之间的连接不多，二者之间的摩擦较少从而降低了损耗。
二、转向架裂纹及其原因
假如转向架构架设计和技术符合要求，理论上在设定的维护周期内加以检修维护，其使用寿命不会低于设计的年限。但如果转向架出现裂纹不加检修和更换，将会导致巨大的安全隐患，进而影响乘车的稳定性和安全性。在使用工况相对恶劣的情况下，应力也不得高于许用水平和最大抗疲劳强度，否则将会导致且加重转向架裂纹的情况，影响正常的交通运输。转向架出现裂纹的原因有很多，其中最常见的原因有三个：转向架本身的质量问题、焊接部分融合质量较差和长期连续工作导致过度疲劳。
三、地铁列车转向架构架开裂导致失效的实证分析
1.转向架构架开裂的案例探究
例：某设计寿命为 30年地铁列车正常运行，在约5年后的检修时发现，转向架构架出现裂缝。
开裂处位于转向架构架“工”型箱体的下表面和垂直表面上，其基本位于转向架构架的横梁上。[1]
将转向架构架裂纹部位切割并打开，观察到开裂面比较平整。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆靠近“工”型箱体内表面处存在剪切唇特征，因此推断出开裂是从箱体外表面出现的。
在较高放大倍数下观察其微观结构，发现有贝壳纹和放射纹存在。根据放射纹和贝壳纹的形态可以判断出，开裂源位于垂直板材和水平板材的焊缝处，并分别向两块板材扩展。
裂纹源区可见焊接部分做工粗糙，气泡型缺陷十分明显。此外还观察到放射性纹路，根据纹路的走势。综上可以判断出开裂源就位于焊接的接缝处。焊缝是最初制造转向架构架过程中，切割钢板并焊接融合时留下的加工痕迹，属于转向架钢材未熔合焊接缺陷。
检测其化学成分和拉伸性能，均符合EN10155（1993）《焊接结构用耐候钢》中对于相应材料的技术性要求。
从开裂源区以及裂纹扩展区分别取样做显微组织分析，经观察，裂纹源区的显微组织中焊接痕迹较为明显——焊缝上存在未熔合和气泡焊接缺陷。从开裂面附近的母材上切取的样本处理后，置于光学显微镜未观测到粗系夹杂物，证明母材组织正常。
转向架构架开裂源区及其断裂面，并且在裂纹扩展区域的截面都出现相同的氧化物，裂纹扩展区域相对规整。
裂纹源区附近的断裂面受到使用环境的影响，氧化程度比较严重，无法准确地观察到断口的微观形貌。靠近裂纹尖端的断裂面上观察到了大量疲劳辉纹和少量二次裂纹，具有疲劳断裂的微观特征，可判断转向架构架处开裂为疲劳开裂。[2]
2.实证结果
开裂处无明显塑性变形，贝壳纹和放射纹均指向焊缝区域的焊接缺陷处，即说明这里就是裂纹源。转向架母材上出现裂纹源、裂纹扩展和最后断裂处这三个组成部分，具备了疲劳断裂的宏观特征。
通过对开裂构架母材的检查，结果发现：化学成分、拉伸性能和显微组织均符合相关技术要求。
可以观察到裂纹源区的焊缝中粗糙导致明显的焊接质量问题。开裂面上放射纹的分布形状，从侧面说明开裂源于焊缝缺陷。因此可以看出该转向架构架的钢材本身无缺陷但焊接质量较差，焊缝中存在较多的焊接缺陷导致疲劳裂纹。因此焊接缺陷是转向架开裂的主要原因。
3.应对措施
该转向架构架的开裂性质为疲劳开裂，裂纹源的产生的主要原因的焊缝区域较为严重的焊接缺陷及结构不合理。列车在运行过程中，裂纹区域会承受不同程度的交变循环拉应力，使得焊接缺陷处产生了裂纹源，从而导致疲劳开裂。转向架架构开裂并失效的情况，严重影响到地铁车辆的运行品质，运行动力和乘车安全性。显然需要解决地铁转向架架构开裂，就必须要提高焊接技术和质量要求。
结束语：
在促进社会发展和提高人们生活质量方面，地铁运输起着非常关键的作用。在实际地铁运营过程中，转向架构架开裂的问题很大程度上阻碍了城市轨道交通发展。因此相关检修和维护者必须采取措施解决转向架构架开裂的问题：应当及时检修更换转向架，提高其焊接质量，尽量减少过度使用的情况。如此就能够避免由于地铁列车转向架构架开裂失效对地铁正常运营的影响，从源头优化，进而有效提高列车运行效率。
参考文献：
[1]沈豪.地铁列车转向架构架开裂的失效分析[J].机械工程材料，2013(3)：103-106.
[2]李承忠.地铁列车转向架构架开裂的失效分析[J].工程技术(全文版)，2017(3)：256.
[3]沈豪,郭常宁,浦汉亮.地铁列车转向架构架载荷在线测试分析[J].电力机车与城轨车辆,2009,32(04):26-29.
论文作者: 王凯风,张文康,赵克楠,苑师铭,李延林
论文发表刊物:《科学与技术》2020年1期
论文发表时间:2020/4/29
标签：转向架论文; 构架论文; 裂纹论文; 地铁论文; 列车论文; 车体论文; 缺陷论文; 《科学与技术》2020年1期论文;