摘要：结合ANSYS有限元仿真分析，对某型铁路车辆油箱吊梁裂纹故障进行深入分析，找出了产生裂纹的要因，并提出了整改方案和新造车辆优化方案，通过有限元仿真分析论证了方案的合理性。
关键词：铁路车辆；油箱吊梁；裂纹；优化方案；仿真分析
1 故障描述
某型铁路车辆库检时发现二位油箱一位悬吊梁与中梁焊接处焊缝处出现裂纹，通过仔细检查确认，底架横梁与中梁焊缝下部中梁腹板纵向贯穿裂纹250mm、中梁隔板焊缝处垂向贯穿裂纹100mm。将中梁隔板从距铁地板50mm处切下，将中梁隔板焊缝处磨平滑后对中梁进行磁粉探伤，未发现垂向裂纹。
该铁路车辆车生产于1997年6月，走行240万公里后于2004年8月实施第一次厂修；再次走行275.93万公里后于2012年6月实施第二次厂修；第二次厂修出厂后总又走行16.04万公里发现二位油箱一位悬吊梁与中梁焊接处中梁腹板、中梁隔板焊缝贯穿裂纹故障。
2 故障原因分析
2.1设计结构
该车辆车体结构采用整体承载全钢焊接有中梁结构，油箱安装与枕内底架中梁、底架横梁、底架边梁组成的框架上，底架中梁采用30a（300X85）槽钢，底架横梁和边梁采用180X70槽钢，材质均为Q235A，油箱吊梁为吊钩形式，通过6个8.8级M24X80螺栓与底架横梁连接。底架横梁和边梁焊接形式翼板采用对接，腹板采用角焊缝连接，底架横梁和中梁焊接形式上翼板采用对接，腹板采用角焊缝连接，下翼板与中梁腹板角焊缝连接。
2.2故障原因分析
通过对该车油箱吊梁结构进行有限元仿真分析及工艺分析，油箱吊梁产生裂纹故障主要有以下原因。
1.横梁翼板与中梁腹板连接拐角截面突变，应力集中，通过有限元仿真计算此处应力为横梁主体结构的5倍以上。
2.横梁翼板与中梁腹板、横梁腹板板与中梁腹板的交叉焊缝，加上背面中梁腹板的焊缝都集中在此处，热影响区再次受热引起组织硬化，易产生裂纹等缺陷。
3.油箱吊梁与底架横梁采用螺栓联接，螺栓联接紧固性差，造成运用中油箱的微量串动冲击油箱悬吊梁与中梁腹板联接部位产生疲劳裂纹。
4.油箱吊梁和中梁腹板间没有垂直方向的补强板，悬吊梁水平方向的交变变形使中梁腹板受力，导致中梁隔板产生垂向裂纹。
5.中梁隔板数量少，影响中梁稳定性，易产品焊接疲劳。
3 优化方案
3.1 整改方案
通过以上分析，发生故障的主要原因为油箱吊梁和底架横梁连接处应力集中，且为焊缝集中区域易发生疲劳断裂。按以下方案进行整改。
1.在中梁腹板内用100*100*8的角钢加焊支撑后切除中梁隔板。去除中梁腹板裂纹处的油漆、污物后，在裂纹端头用Φ6mm的钻头打止裂孔，防止裂纹延伸；在中梁腹板两侧裂纹上开坡口，然后对裂纹进行焊接，焊后将焊缝打磨平。
2.在中梁腹板两侧焊8mm厚的补强板，焊接时，两侧补强板四周的焊缝要错开20mm以上。中梁补强板补焊完毕后，恢复焊接中梁隔板。
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3.对4个油箱悬吊梁和中梁腹板间加焊三角补强板130*130*8=4个；4个油箱悬吊梁和边梁翼板间加焊三角补强板130*130*8=8个；每个油箱悬吊梁内加焊160*65*8补强三个；每个油箱悬吊梁和中梁腹板加焊95*75*8垂直方向的补强板，增加悬吊梁的强度。
4.对全车的油箱悬吊梁与油箱安装过渡梁进行焊接，两端焊立焊缝，上下焊50*100mm的段焊，增加油箱悬吊梁的强度。
3.2 新造车优化方案
针对油箱吊梁出现裂纹故障的原因，制定新造车辆优化方案。
1.为避免油箱吊梁和底架横梁连接处应力集中，将油箱吊梁结构优化为6-09CuPCrNi-A压型的“鱼腹梁”结构，横梁翼板与中梁翼板连接。横梁翼板与中梁腹板焊缝、横梁腹板与中梁腹板焊缝也可以错开，避免热影响区受热。
2.为防止紧固件松动使油箱吊梁产生纵向、垂向冲动形成动载，将油箱吊梁与底架横梁连接结构由螺栓联接改为采用焊接结构。
3.为增加中梁结构的稳定性，在底架横梁内侧中梁内增加隔板。
4 基于ANSYS的有限元分析
4.1 原结构和整改结构对比分析
将原设计结构和整改后结构建立有限元模型，进行对比分析。
在油箱的几何中心处设节点，该节点与油箱吊座的吊钩部分用刚性元相连；油箱几何中心节点处施加集中载荷，载荷数值依据质量与加速度计算得到。在纵向3g工况下，油箱吊梁和底架横梁连接处裂缝附近区域有1个明显的应力集中点，应力值为94.34MPa；补强后的模型其应力最大值转移至横梁上的三角补强板处，应力值为97.66MPa，补强后应力集中点的应力为27.23MPa。
在横向1g工况下，油箱吊梁结构的应力最大值出现在隔板上，应力值为31.45MPa，补强后的模型应力最大值出现在隔板与中梁焊接的位置处，应力值为27.23MPa。
在垂向3g工况下，油箱吊梁和底架横梁连接处裂缝附近区域有1个明显的应力集中点，应力值为258.9MPa；补强后的模型其应力最大值转移至中梁腹板加焊的补强板位置，应力值为127.5MPa，补强后，原模型应力集中点的应力为58MPa。
在纵向3g+横向1g+垂向3g组合工况下，原模型裂缝附近区域有1个明显的应力集中点，应力值为297.7MPa；补强后的模型其应力最大值位于中梁腹板加焊的补强板位置，应力值为176.8MPa，补强后，原模型应力集中点的应力为58MPa。
4.2 新造车优化方案有限元分析
为验证新造车优化结构的安全性，对车辆油箱吊梁及底架横梁连接结构进行强度校核。截取车体底架中包含油箱吊梁的部分结构，油箱采用质点模拟，用刚性元与吊座连接，计算结果最大应力值为78 MPa，出现在油箱吊梁上，底架横梁的最大应力为44 MPa，出现在横梁中部与吊座连接处。均小于相应部位的许用应力，强度满足结构要求。
5 结语
通过以上分析，油箱吊梁结构由于底架中梁和横梁连接处应力集中，且该处焊缝集中，焊缝热影响区反复受热，油箱吊梁螺栓联接结构松动形成动载，易发生疲劳断裂。槽钢横梁结构通过整改后，油箱吊梁和底架横梁连接处应力集中得到明显改善，通过仿真分析计算，应力状态较原结构显著降低，最大应力为176MPa，满足强度要求。将底架横梁结构优化成“鱼腹”梁、油箱吊梁连接优化为焊接结构后，通过仿真分析证明了结构的应力集中现象明显得到改善，受力状况明显优于槽钢横梁结构。
参考文献：
[1]铁路技术管理规程[M].中国铁道出版社.2010（10）
[2]铁路应用.铁路车身的结构要求（EN12663-2010）[S].
论文作者:陈永盛,李福禄,秦园,宋巍
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/15
标签：油箱论文; 腹板论文; 底架论文; 横梁论文; 应力论文; 裂纹论文; 结构论文; 《基层建设》2018年第34期论文;