高速动车组制动横梁裂纹故障分析及改进措施

高速动车组制动横梁裂纹故障分析及改进措施

靳松

中车唐山机车车辆有限公司，河北省唐山市 064000

摘要：为了解决分析高速动车组原始设计结构的制动梁的裂纹破坏原因，对裂纹的位置和数量进行了系统的统计，并对裂纹进行了宏观和微观分析。分析表明该断裂为应力引起的疲劳断裂。确定了原始设计结构的制动横梁进行线路制动载荷识别，并将其结果应用于有限元仿真计算。应力主要及集中在在原始结构的制动横梁支撑座卡安装孔的边缘处，同时很容易在承载变载荷时产生裂纹。结合有限元强仿真结果，提出了制动梁结构的改进方案，并进行了强度计算和实测线路动应力。

关键词：高速动车 横梁 裂纹 故障分析 改进措施

1. 研究背景

随着我国列车行业的发展和完善，运行速度也大幅度的提高，制动系统的可靠性已成为确保列车安全运行的重要指标。基本制动装置是制动系统的关键部件，现在主要使用制动夹钳的结构。焊接在框架侧梁或横梁上的传统制动钳具有紧凑的安装空间，并且在列车运行过程中可能会出现闸片与制动盘偏磨的问题。因此，现有的基本制动装置大多采用独立的制动梁结构，制动钳座焊接在制动横梁之上。

制动梁作为一种独立的承重结构，受制动载荷的影响明显，其结构强度性能一直是人们关注的焦点。通过对了209HS型转向架构架横梁与制动吊座进行系统了的裂纹分析，通过适当的改良完善焊接的数据参数最大程度降低裂纹的产生。分析CRH380动车组转向架构架的制动横梁的焊接变形和残余应力的影响，并制定了制动横梁的最佳焊接顺序计划，以用于改善了结构的疲劳性能。针对高速动车组制动横梁裂纹提高维修，采用断口形貌分析，有限元仿真计算和动应力测试的方法，分析了制动梁的失效原因，提出了改进措施，该研究对高速动车组转向架制动横梁的结构设计具有重要的指导意义。

2. 制动横梁结构及裂纹描述和故障分析

2.1裂纹描述

高速动车制动横梁的安装单元制动缸与夹钳的部分的，制动横梁与侧梁转向架框通过削相连，并且通过制动梁支撑座与转向架构架的横梁相连。制动横梁由四杆机构、关节轴承、水平摆杆和构架组成，在施加制动力时可以自动调节对中，从而避免了制动衬块的局部磨损。

原始的平面制动横梁结构在最下面的管卡孔处开裂，并且该裂纹出现在两个变横截面工形支撑座的外板上（即后翼板），并沿着变截面工字形中间的筋板开裂到其筋板上的大圆孔处。

2.2.制动横梁故障分析

通过分析高速动车组制动横梁裂纹产生的原因，发现大部分的裂纹出现在横梁的下半部分，可以得出的是横梁的质量结构分布不均。弓形制动横梁由于弓形杆支柱和顶部承载力，相对而言焊接更牢固，弓形杆和闸瓦托端部又经过加固和焊接。结果是整个结构具有更大的刚性，但是耐冲击性差。制动时整个系统的合力会将冲击力传递到立柱的双片部分。而这部分的力量是最弱的，制动时冲击力过大时，闸瓦托由于制动力不均匀而导致磨损，当一侧受到较大的力时或梁梁体及闸瓦变形会增加两个支柱上的正压力和侧向扭转力。结果导致横梁产生裂纹。

通过系统的分析可以发现，高速动车制动横梁在焊接方面存在很多的不足。如：进行焊接修复之前，先使制动横梁柱的焊接部位开始预热处理，结果使焊接部分的残余应力较大，使材料的塑性变形能力差；焊接修复的焊接方法和工作人员操作不当，开始焊接修复时不会消除裂纹，或者从裂纹的头到尾的焊接过程如此会加剧横梁裂纹的产生率；焊接过程中焊接质量不高，焊波表面不平整、连通性差、裂纹中国存在夹杂物、气孔、咬边导致焊接结果不能牢固焊接，表面没有增强的焊接波，焊接的过程过于粗糙和随意结果也是不尽人意；焊接过程中电流和电极不正确匹配，结果导致焊接薄弱，容易二次产生裂纹。

从材料和结构的角度来看，制动横梁梁支柱材料选择也是十分重要的。由于选择钢性材料的铸造性不能很好的满足高速动车组制动横梁的需求，收缩腔大，易于形成分散缩孔，并且流动性差和严重的偏析。经常出现在独特的魏氏组织，与同铁素体的结构特征存在着相似，沿晶界存在并如针的形态大下插入珠光体，但是铸钢的可塑性和韧性确大大降低。此外，由于铸钢的快速冷却，内应力比较大。因此，必须通过热处理消除这些铸造缺陷。如果铸造缺陷突出或热处理不理想，则可能导致起始材料中就存在巨大的缺陷。

3. 制动横梁完善措施

传统式制动梁的突出特点是在施加制动力时不需要使用过大的组件，因为制动力可以抵抗弯曲力。必须注意的是，这种传统的制动横梁通常是扁平形状，从而在制动期间导致梁的不平衡扭转。由于在车上安装了制动组件，因为制动缸装置不同于在车身上的传统安装架的安装方法，使用了非传统或特殊设计的制动横梁要求设计扁平形。因为需要这些非传统的制动横梁来支撑制动缸的重量和制动力，所以必须设计笨重且繁琐的制动横梁，才能更好的保障高速动车组制动横梁的质量。

制动横梁柱是铸钢支柱，在制动横梁边缘和杠杆的弯曲处容易开裂。现场检查是在检查制动横梁支柱时，检查应从车轴上方进行，检查制动横梁支柱的下端时，应探身仰视检查。在检查过程中，如果发现一些裂纹痕迹暂时无法判断判断，可以轻轻触摸痕迹，并可以使用检查锤敲打。如果再次出现痕迹，则毫无疑问横梁主子已经产生裂纹，应立即进行维修。

横梁的制造过程通常采用模块化制造，将横梁分为横梁管、横向止挡座、制动横梁管等次部件模块。焊接、调整和修复后，横梁组装后并焊接了。模块化制造更有利于焊接变形的控制和生产组织。动车组横梁在选材中药采用耐候钢焊接结构，因为其具有良好的耐大气腐蚀性，高拉伸强度和良好的可塑性，它已成为高速动车横梁制造的首选材料，高速动车组制动横梁焊接的质量要求大大提高，降低裂纹的产生形况，对焊接填充材料的选择必须符合国际标准的要求，并且填充材料的质量程度，为了提高耐候性钢的焊接过程中的可焊性，并补充微量金属的的最小损失量，填充材料通常包含Zr、Ni和Cu元素的材料。

为了更好的保障焊接的效果，从材料的把关就要十分严格，从而实现高标准的单件质量的保障。对于折弯成型件在可最大承受弯曲范围内进行工艺修饰，要保障挽着件与检测样板之间的缝隙标准，确保最小可能出现压痕的情况。在确保组装的单个零件的尺寸质量的基础上，保证了组装件的整体组装质量。焊接缺陷可分为两类：第一类是焊接变形和残余应力。第二类是裂纹状缺陷，是焊接结构中最危险的缺陷，宏观裂纹会导致框架结构报废。如果不能及时的发现横梁存在的裂纹，就会影响焊接工作的高质量完成，最终可能会导致事故发生。因此，所有焊接都需要根据质量水平进行检查，焊接质量检查是制造过程中必不可少的过程。焊接质量等级越高，使用的检查方法越严格。

4.结论

针对高速动车组制动横梁的裂纹破坏问题，本文采用断裂特征分析，分析了结构裂纹的原因，提出了改进措施。对断裂结构的制动横梁的裂纹进行了宏观和微观分析，该断裂具有明显的疲劳断裂特征。通过故障统计对故障的发生与线路状况进行了密切的分析。对制动横梁的载荷识别，并将其应用于有限元仿真计算。结合断裂分析结果，可以判断出制动梁支撑座的设计强度不足是造成制动横梁失效的主要原因。同时，提出了制动横梁的优化和改进方案，改进方案可以完善制动横梁的性能。通过合理的完善技术和发现问题，可以更好地提高高速动车组制动横梁产品质量和形象，且更好的在实践中应用。

参考文献

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