转K6型转向架交叉杆裂纹扩展与失效行为研究

公禹豪,许彦强,王 蒙,朱 涛,王 超,肖守讷

(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031；

2.中车浦镇阿尔斯通运输系统有限有限公司,安徽 芜湖 241060；
3.神华铁路装备有限责任公司，北京 100120)

重载列车的钩缓装置、制动梁、交叉杆等关键承载部件，对列车的安全运行起着至关重要的作用[1]。但随着重载列车高速重载的发展趋势，既有的修程与目前车辆关键部件的寿命可靠性存在滞后情况，长寿命部件存在无病通治的现象，对于经济状态的维修造成较大浪费，因此，开展重载列车关键承载长寿命部件寿命预测的研究，对提高列车运行安全性和降低运用维护成本具有越来越重要的意义[2]。

在重载列车关键承载部件寿命预测研究方面，宋瑞兰[3]利用名义应力法和Miner线性疲劳累积损伤理论对转K6型转向架侧架进行了疲劳寿命评估。杨海宾[4]基于局部应力应变法计算了重载车钩裂纹的萌生寿命，又根据断裂力学理论对钩舌和钩体裂纹进行了扩展过程模拟和剩余寿命研究。王强强[5]以C80货车转向架线路实测的载荷谱为基础，对摇枕排水孔和侧架内弯角处的裂纹进行了扩展规律研究，得出了结构的剩余寿命。姜清海[6]基于车辆动力学理论建立车辆动力学模型，探讨了交叉支撑装置对车辆动力学性能的贡献，并分析了交叉杆壁厚对动力学性能影响。目前的交叉杆按照160万km定期检修，并结合TFDS[7-8]图像识别系统检测变形以及部件丢失故障，由于此部件处于转向架簧下，结构的疲劳裂纹缺陷不易通过既有的检修规程发现，因此需要结合断裂力学的扩展方法对既有修程的状态维修进行补充完善。

交叉杆作为我国铁路货车转向架最为重要的部件，提高了转向架的抗菱刚度和曲线通过能力，对重载货车的运行安全性有着重要的作用[9]。本文针对服役一个维修周期的交叉杆开展基于裂纹扩展断裂失效的剩余寿命研究，通过台架试验探索结构的裂纹扩展行为以及失效形态，并结合线弹性断裂力学方法对结构的裂纹扩展行为进行参数化研究，为重载列车交叉杆组成的修程修制改革以及检修周期提供重要支撑。

目前我国提速铁路货车主型转向架为转K2、转K6型转向架，均采用下交叉杆[10]。该结构主要由杆体、端头安装结构和中部扣板等组成，其中杆体是由钢管型材在模具上冲压而成。杆体上共有3处压窝，1处位于交叉杆中部，称为中部压窝，剩余2处压窝在交叉杆端部，称为端部压窝。交叉杆结构组成如图1所示。

图1 交叉杆结构组成示意图

交叉杆从应用至今，经过了大量的优化工作，结合交叉杆目前的服役状态，尽管在出厂时会依据标准对其进行质量校核验证，但仍不能避免其在服役过程中发生失效破坏。

转K6型转向架交叉杆自2007年装车服役至今均能满足一个厂修期(160万km)的服役要求。其故障形式主要包括：端部杆体弯曲、中部杆体断裂、端头螺栓松动[7-8]，排除偶然外物导致的变形外，疲劳裂纹失效是主要的破坏形式，因此结构的疲劳寿命及可靠性是反映服役周期寿命和安全运行的关键因素，图2为转K6型转向架结构，图3为该转向架交叉杆故障形式。

图2 转K6型转向架结构

图3 转K6型转向架交叉杆故障图像[7-8]

3.1 试样信息

为研究交叉杆的断裂形式和寿命，对其开展台架试验，进而探索其失效规律。选取C80型货车转K6型转向架交叉杆，采用标准载荷开展台架试验，交叉杆试样如图4所示，交叉杆结构疲劳试验台架如图5所示。以350万次疲劳载荷作用后探伤无表面裂纹的试件作为研究对象，其中350万次疲劳循环台架试验对应160万km服役运行里程[11]。

图4 交叉杆试样

图5 交叉杆结构疲劳试验台架

交叉杆疲劳标准载荷如表1所示，按照B-C-A-D载荷级别顺序进行加载试验。

表1 交叉杆疲劳标准载荷

3.2 试验过程

根据前期调研结果[12]，交叉杆的杆体压窝处应力较大，容易萌生裂纹；
此外，交叉杆中部压窝处本身不易观测到裂纹，在日常检修中也难以发现，因此更有研究价值。

为了研究交叉杆的失效断裂情况，具体试验分为以下3个部分：

(1) 在交叉杆杆体中部压窝处植入初始微裂纹，在标准载荷下进行疲劳试验，研究初始小裂纹下的交叉杆裂纹扩展行为；

(2) 在上述位置植入初始缺口，进一步研究具有较大缺口下的交叉杆失效行为；

(3) 继续进行疲劳试验使交叉杆失效，从而观察交叉杆的失效行为。

试验具体过程如下：

首先，在交叉杆杆体中部压窝处预制表面微裂纹(图6)，通过机械加工引入平行于杆体截面的表面初始缺口为10 mm，深度为1 mm(图7)。预制裂纹槽的目的是制造缺口效应，提高应力集中系数，并有效降低裂纹萌生载荷，从而加快裂纹扩展疲劳试验速度。

图6 引入微裂纹位置示意图

图7 初始缺口形态

初期按照表1中的D级载荷加载预制裂纹尖端，经过146万次疲劳载荷加载后对缺口根部探伤未观察到裂纹萌生形态。

在此基础上，二次加深坡口进一步预制缺口，二次坡口尖端深度为5 mm，表面长度为20 mm，二次缺口位置及形态如图8所示。

图8 二次缺口位置及形态

然后按照表1中的D级载荷加载56万次后对缺口根部进行探伤未发现裂纹萌生形态，进而对表1中D级载荷放大1.4倍(试验台最大极限载荷)。放大后的D级载荷为：水平载荷±35 kN，水平加载频率2 Hz，扭转位移±5.3 mm，扭转加载频率0.5 Hz。上述疲劳载荷循环作用12万次后在缺口根部出现宏观较长裂纹，磁粉探伤观察裂纹表面长度尺寸，裂纹尺寸为37 mm，裂纹形态为穿透张开型裂纹，裂纹扩展形态及尺寸见图9。

图9 裂纹扩展形态及尺寸1

此时改变载荷，按照表1中的D级载荷疲劳循环10万次后，裂纹无明显扩展，进一步探伤裂纹根部的形态及尺寸如图10所示。

图10 裂纹扩展形态及尺寸2

进一步按照表1中的D级载荷放大1.4倍进行加载，经过2万次疲劳载荷作用，探伤发现裂纹扩展明显，湿法磁粉探伤观察裂纹扩展形态及裂纹尺寸发现裂纹表面长度为45 mm，均为I型张开型裂纹，裂纹形态平行于杆体截面，裂纹扩展形态及尺寸如图11所示。接着经过3.6万次疲劳载荷后交叉杆断裂。

图11 裂纹扩展形态及尺寸3

3.3 试验结果分析

交叉杆断裂后的断口裂纹形态及表面断口裂纹尺寸如图12所示。观察断口裂纹形态及尺寸发现，裂纹从杆体预制缺口初始裂纹源的半椭圆表面裂纹经过疲劳载荷作用，在裂纹尖端穿透厚度后形成2个穿透型裂纹，平行于杆体截面方向沿杆体周向扩展，整个裂纹扩展形态以I型裂纹为主，压型上侧断面扩展速度慢于下侧断面。最终在杆体中部发生瞬断，杆体失效。

图12 交叉杆断口裂纹形态及表面断口裂纹尺寸

此外在扩展试验过程中，在表1中的D级载荷作用下，杆体表面裂纹长度37 mm裂纹尖端仍未达到扩展门槛值，结合结构实际服役过程中的载荷激励，表1中的D级载荷较服役载荷更为恶劣，因此通过伤损结构裂纹扩展试验得出结构服役过程中可以将杆体截面横向表面裂纹长度48 mm作为临界尺寸的报废限度，以进一步延长结构的服役寿命。

4.1 裂纹扩展分析方法

在线弹性断裂力学中，应力强度因子K是判断含裂纹结构的断裂和计算裂纹扩展速率的重要参数。应力强度因子K的计算方法有解析法、有限元法、边界元法、权函数法等[13]。解析法已经不能适应实际工程中的复杂结构。M积分是一种表征缺陷体演变规律的有效方法，并表现为与积分路径无关特性，大大减少了计算量。此外，Freund[14]利用M积分的一些特点，将其用来计算应力强度因子，从而成功建立了M积分与应力强度因子K之间的关系。再利用裂纹扩展模型(Paris模型)，建立起裂纹扩展与剩余寿命之间的关系。

采用多项式拟合裂纹前端扩展角度和扩展量，基于裂纹有效应力强度因子幅度ΔKeff的裂纹扩展速率公式(Paris公式)如下：

(1)

(2)

式中：a——裂纹长度；

N——疲劳载荷循环次数；

C，m——材料参数；

Δa——裂纹长度迭代步长。

采用基于临界应力强度因子的断裂准则如下：

Kmax≤KIC

(3)

式中：Kmax——最大应力强度因子；

KIC——断裂韧度。

通过上述M积分以及裂纹扩展准则，提取有效应力强度因子幅度ΔKeff，基于Paris公式积分得到单次裂纹扩展所对应的疲劳载荷循环次数，累积得到裂纹扩展至一定长度所对应总疲劳载荷循环次数。

4.2 模型建立及边界条件

4.2.1 材料裂纹扩展参数

根据《机械工程材料性能数据手册》[15]杆体材料裂纹扩展参数，建立基于Paris公式的均值裂纹扩展速率模型，表征疲劳裂纹扩展速率的Paris公式如下：

(4)

式中：ΔK——应力强度因子范围。

基于Paris公式表征的均值裂纹扩展速率参数如表2所示。其中Kth为裂纹扩展的门槛值，KIC为断裂韧度，该参数通过手册查得，基于标准CT试样在应力比为-1条件下得到。

表2 基于Paris公式表征的均值裂纹扩展速率参数[15]

4.2.2 边界条件

裂纹扩展仿真模型的载荷输入取与前文疲劳试验相同的载荷，即水平载荷±35 kN，扭转位移±5.3 mm。其载荷对应的边界条件为：水平载荷通过在一端施加Y向水平力，释放同侧端头Y向平动自由度，约束XZ方向平动自由度，另一侧端头Z向施加反向位移，约束两端的XY方向平动自由度。具体边界条件施加示意图如图13所示。

图13 边界条件施加示意图

4.2.3 子模型划分

为了便于计算并节约计算时间，对交叉杆杆体中部压窝危险局部区域进行划分，作为裂纹扩展区域，并基于圣维南原理，对该区域施加强制位移边界条件。后续基于划分后的子模型对交叉杆进行裂纹扩展分析，划分后的子模型如图14所示。

图14 裂纹扩展子模型示意图

4.3 基于初始缺陷的裂纹扩展分析

4.3.1 引入初始缺陷(裂纹)

基于裂纹扩展子模型，在疲劳试验初始缺陷处引入初始裂纹，裂纹垂直于杆体平面并平行于杆体截面，裂纹类型为半椭圆表面裂纹，裂纹表面半长5 mm、深1 mm，初始裂纹的裂纹扩展模型如图15所示，裂纹扩展方向由最大周向拉应力准则确定[16-18]。

图15 引入初始裂纹的裂纹扩展模型

4.3.2 裂纹扩展仿真过程

在初始裂纹下，裂纹前缘应力强度因子略大。伴随着裂纹扩展，裂纹表面应力强度因子逐渐大于深度前缘应力强度因子，说明裂纹表面扩展较快，而裂纹的深度方向扩展较慢。此外，在裂纹扩展过程中，裂纹以I型(张开型)半椭圆形扩展为主，II、III型裂纹影响较小。

在扩展过程中，裂纹由椭圆表面裂纹扩展至2个穿透裂纹，分别以A裂纹表示沿杆体周向上表面裂纹，以B裂纹表示沿杆体周向下表面裂纹。扩展到一定程度时，A裂纹与B裂纹相遇，结构在交叉杆杆体中部压窝发生瞬断失效。

通过求解每一步裂纹扩展前缘应力强度因子，根据Paris公式，对裂纹长度和应力强度因子积分得到裂纹扩展长度与疲劳载荷循环次数之间的寿命关系曲线。图16两侧分别给出了A、B裂纹的裂纹扩展长度、深度与疲劳载荷循环次数的关系曲线，图16中部给出了裂纹扩展区域处的浅表面裂纹在疲劳载荷作用下扩展至临界裂纹断裂状态的裂纹形态以及沿杆体周向的2个视角的裂纹扩展轨迹。

图16 交叉杆杆体裂纹扩展仿真结果

由图16仿真结果显示，裂纹扩展过程中，在1.6×105次循环之前，裂纹扩展速度较慢，处于稳定扩展阶段；
在1.6×105次循环之后，裂纹扩展速度明显加快，处于快速扩展和失稳扩展阶段，当裂纹达到临界尺寸时，裂纹扩展速度达到最快。

4.4 仿真结果分析

通过裂纹扩展仿真结果分析，可以直观展示出裂纹扩展过程中裂纹的三维扩展轨迹。由于交叉杆在交互载荷作用下以I型裂纹扩展为主，裂纹尖端张开角度逐步扩大，整体裂纹扩展形态沿杆体横向截面扩展，伴随有裂纹角的偏转，当裂纹扩展至杆体压窝另外一侧时杆体沿截面瞬断。为更加直观体现裂纹扩展过程中的变化过程，图17展示了裂纹扩展第1、5、10、20、30、37步的裂纹情况。

图17 裂纹扩展过程图(变形放大10倍)

从以上对交叉杆的疲劳试验和裂纹扩展仿真分析来看，在交叉杆薄弱位置引入初始缺陷后，交叉杆在相同载荷作用下都发生了裂纹扩展行为。裂纹均以I型裂纹为主，裂纹穿透后都变为2个裂纹前缘进行扩展，最后都在杆体中部发生了失效瞬断。可以说裂纹扩展仿真与实际台架试验的裂纹扩展具有较好的一致性，具有一定的参考意义。

TG/CL 110—2011《铁路货车厂修规程》规定，当交叉杆杆体出现横向裂纹时，交叉杆整体直接作报废处理。这种做法虽然能够避免交叉杆出现故障，但也会导致大量的浪费。此外，在实际检修过程中，由于TFDS图像识别系统本身的局限性，仅仅对结构的弯曲变形和较大尺寸的裂纹检测报警。故只能通过频繁拆卸交叉杆组成进行检修，这样反而可能对结构本身带来不必要的伤害。

由交叉杆疲劳试验数据可知，在杆体截面横向表面裂纹长度为37 mm时，裂纹尖端仍未达到扩展门槛值，故可以将杆体横向表面裂纹长度37 mm作为交叉杆的检修标准，将48 mm裂纹长度作为临界尺寸的报废限度。

因此，在具体检修过程中，可将37 mm检修标准与TFDS图像识别系统进行结合，改进后的检修流程如图18所示。对于杆体发生较大完全变形的情况，使用TFDS进行检测，而对于杆体出现裂纹的情况，则使用37 mm检修标准，弥补TFDS图像检测系统的不足，更好地指导交叉杆的检修。

图18 改进后的检修流程

(1) 对转K6型转向架交叉杆开展了裂纹扩展断裂失效疲劳试验，在交叉杆杆体薄弱位置引入初始裂纹，通过裂纹扩展试验，得出了交叉杆杆体裂纹扩展过程、失效形式及断口裂纹形态。

(2) 基于线弹性断裂力学方法建立了交叉杆杆体裂纹扩展模型，对交叉杆进行裂纹扩展仿真，仿真得出的裂纹扩展形态与疲劳试验结果相一致，对交叉杆杆体裂纹扩展行为研究具有指导意义。

(3) 基于交叉杆疲劳试验的数据，结合当前铁路货车修制的不足，建议将杆体截面出现横向表面裂纹长度37 mm作为进行检修交叉杆的标准，将48 mm作为临界尺寸的报废限度。该建议与TFDS图像识别系统相结合可弥补当前TFDS系统的不足，延长此长服役周期部件的寿命，更好地指导交叉杆的检修。

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