基于DVS 1612准则的焊接构架设计及强度评估.pdf

Vol.43 No.42023Aug.第 43 卷第 4 期2023 年 8 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CAR基于 DVS 1612 准则的焊接构架设计及强度评估杨集友，李占一，尹晓亮，吕常秀，王一淞（中车长春轨道客车股份有限公司,长春 130062）摘 要 构架作为轨道车辆转向架的关键承载和传力部件，运行中承受各类复杂的静、动载荷工况，因此构架疲劳强度是车辆服役期内安全可靠运营的根本保障。DVS 1612 准则作为构架强度评估标准，因与EN 15085 焊接标准体系相关联，评估准确性和可靠度优势明显，近些年在行业内逐渐推广应用开来。文中详述基于 DVS 1612 准则下的构架设计过程，以及基于该准则下的构架静强度和疲劳强度评估方法，并对所设计构架进行强度了评估。关键词 转向架构架；焊缝；疲劳强度中图分类号：U260.331 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2023.04.05当前轨道车辆转向架构架均采用 H 型焊接结构，其主体结构是由钢板和钢管焊接而成的侧梁和横梁进一步组对焊接而成，在侧梁和横梁焊接有轴箱定位、悬挂系统、牵引传动和基础制动等零部件的安装座1，导致构架结构存在大量复杂型式的焊缝。因此构架强度评估的关键是焊缝强度评估，而历史经验也证明构架焊接接头裂纹是构架故障的主要型式，从而基于轨道车辆转向架复杂载荷下的焊接构架设计和焊缝疲劳强度评估是构架设计最重要环节。由于载荷、结构和焊缝质量及型式的复杂性，目前行业内针对焊缝疲劳强度的评估，并无统一的、完全可靠的评价准则。在过去数十年间，针对构架焊缝疲劳强度的评估，行业内基于不同力学理论方法形成了不同评价体系并均有应用，目前应 用 较 广 的 主 要 是 基 于 UIC 标 准 推 荐 的 ERRI B 12/RP17 准则，同时基于不同国别，也有采用 IIW、FKM、BS、JIS 和 DVS 等标准或规范进行评估。近些 年，由 德 国 焊 接 协 会 研 究 发 布 的 DVS 1612 准则2，具有与轨道车辆焊接体系标准 EN 150853完 全 契 合 的 优 点，目 前 在 行 业 逐 渐 应 用 推 广开来4。1 DVS 1612 准则及评价方法 DVS 1612 轨道车辆钢结构焊接接头设计与疲劳强度评估 是由德国焊接协会牵头，联合轨道车辆制造企业、德国铁路公司和德累斯顿材料研究与应用技术公司共同研究制定。该准则的核心是完全基于 EN 15085 轨道车辆焊接标准体系下的焊接接头设计、焊接制造和焊缝检验要求，进一步细化焊缝接头类型，从而达到焊缝疲劳强度的准确性。该方法主要是将常用的母材及对接、T 型等焊 接 接 头 根 据 不 同 施 焊 形 式、焊 缝 等 级、焊 后 处理、焊缝检验方式及频次、焊缝受力位置等因素对焊缝疲劳的影响程度，详细划分为 F3A+若干等级，并给出量化的缺口指数 k，然后按照式（1）、式（2）和式（3）精确计算得到各焊缝的许用应力。专题研究基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（P2019J007）作者简介：杨集友（1987-）男，高级工程师（修回日期：2023-04-09）文章编号：1008-7842（2023）04-0029-06引用格式：杨集友,李占一,尹晓亮,等.基于 DVS 1612 准则的焊接构架设计及强度评估J.铁道机车车辆,2023,43(4):29-34.铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 zul(R)=150 1.04-x2(1-0.3R)1.3(1-R)（1）o，zul(k)=150 1.04-x21-k（2）zul(R)=2(1-0.17R)1.17(1-R)zul（3）考虑母材板厚对强度的影响，对疲劳强度许用值进行修正，为式（4）：zul，t=zul，MKJ(10t)0.1（4）该准则基于名义应力法进行强度评估，分别选取垂直焊缝的应力，平行焊缝的应力及平行焊缝的剪切应力进行单向或多轴综合评估，为式（5）、式（6）：，zul，t 1，zul 1，zul 1（5）(，zul)2+(，zul)2+(zul)2-|，zul|，zul 1.1（6）2 构架设计 2.1设计输入转向架技术参数、系统方案及其接口需求作为构架设计输入见表 1，开展构架总体设计。2.2构架结构设计依据总体技术要求和各接口关系，完成转向架构架结构设计如图 1 所示。该构架主体呈 H 型结构，横侧梁均采用钢板焊接结构，关键零部件采用锻钢件。构架侧梁设置二系垂向减振器座、抗蛇行减振器座、抗侧滚扭杆座和制动夹钳安装座等；在构架横梁上焊接不同的安装座或其他部件，包括电机座、齿轮箱座、牵引拉杆座等。2.3构架焊接设计构架焊接设计，一方面要尽可能提高焊缝强度，另一方面也要保证构架焊接具有较好的施工工艺性，减少尺寸公差和降低应力集中，在构架焊缝设计时遵循原则如下：（1）焊缝方向与受力方向一致，以提高焊缝的抗疲劳能力。（2）板厚尽可能不大于 20 mm，且焊缝熔深设计不宜过大，以降低焊接应力及应变，减小焊缝缺陷的倾向性。（3）尽可能采用双面焊、双侧等熔深设计，利于降低焊接应力及应变，减小焊缝根部的缺口应力效应。（4）尽可能多地采用对接焊缝，利用其较高的抗疲劳能力。（5）尽可能减少焊缝，复杂结构推进采用锻钢件替代，以减少焊缝质量风险。（6）焊缝布置尽可能避开钢板折弯区域，避开结构件变截面区域，以减少焊缝质量风险和应力集中。（7）焊缝长度方向，尽可能简单规整，同一焊缝尽可能处于同平面，避免焊缝方向激变。表 1转向架顶层技术参数及技术方案序号123456789101112指标名称最大轴重/t固定轴距/mm空簧跨距/mm轴颈中心距/mm轮径/mm寿命要求/年基础制动驱动定位方式牵引装置二系悬挂一系悬挂指标数据172 5001 9002 000920/85030盘形制动：动车轮盘制动，拖车轴盘制动架悬，弹性悬挂；齿轮箱饼状橡胶吊挂转臂式定位Z 型双牵引拉杆横向减振器+横向止挡+抗蛇行减振器；设抗侧滚扭杆装置橡胶叠层弹簧+螺旋刚弹簧+油压减振器图 1转向架构架30第 4 期基于 DVS 1612 准则的焊接构架设计及强度评估焊缝接头设计基于 EN 15085-3，构架焊缝接头形式采用对接和 T 型接头，其中对接焊缝采用全 熔 透 V 型，T 型 接 头 采 用 非 熔 透 Y 型、DY 型、HY 或 DHY 型，并辅助增加角焊或双面角焊。焊缝接头类型如图 2 所示，评估等级见表 2。3 构架材料选型 构架作为全寿命结构部件，材料需首先满足强度需求，且需综合考量材料的屈服和抗拉强度，目 前 业 内 屈 服 强 度 Re=350 MPa、抗 拉 强 度 Rm520 MPa 级别的钢材，其次需满足制造需求，保证材料具有较好的焊接和冷成型等工艺性能；还需满足环境适应性，如低温韧性和耐腐蚀性能等1。基于低温（-40）设计需求，以及耐腐蚀性考虑，本构架采用由 S355J2W5钢材，其机械性能见表 3。图 2T 型焊缝和对接焊缝及其应力方向图示表 2构架焊缝设计及对应评估等级焊缝名称母材HY 焊缝角焊缝DHY 焊缝双侧角焊缝V 或 HV 焊缝HY 焊缝DHY 焊缝DV 或 DHV 对接焊缝V 或 HV 焊缝带背板 V 或 HV 焊缝焊缝等级依据 EN 15085-3CP C2CP C2CP C2CP C2CP C1CP C1CP C1CP C1CP C1受力方向xyxyxy1y2xyxy1y2xyxyxyxy1y2xyxy1y2xyxyxyxyxyxyxy评价等级依据 DVS 1612AAG+DE6F2H-C-E5F1HE1E1GD+E6F2H-CE5+F1+HCDGDDGE1E1+G使用位置母材评估单侧部分焊透 T 型接头焊缝单侧部分焊透 T 型接头焊缝带临时背板的单侧全焊透对接焊缝单侧部分焊透的 T 型焊缝单侧部分焊透的 T 型焊缝双侧全焊透的对接焊缝单侧全焊透的对接焊缝永久带背板的单侧全焊透对接焊缝31铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 4 构架强度评估 4.1载荷输入基 于 EN 137496、UIC 615-47、UIC 515-48标准进行构架主载荷、零部件工作载荷及附加设备惯性载荷计算。基于各载荷，结合车辆实际运营中构架工作状态，按照 EN 13749 标准，对载荷进行组合，基本工况组合见表 4、表 5。4.2静强度评估母材静强度通过比较 Von-Mises 应力和母材安全系数下的许用应力来评估。根据 EN 13749，如构架采用实际载荷进行试验，则可以使用 1.0 的安 全 系 数。但 考 虑 结 构 件 厚 度 对 机 械 性 能 的 影响，静强度评估仍按照 1.1 的安全系数进行评价，因此本构架静强度评估母材许用应力为 355 MPa/1.1=323 MPa。焊缝静强度评估需根据不同焊缝接头形式进行评估。一般来说，焊缝设计和焊丝选择基于等强 原 则，即 焊 缝 的 静 强 度 与 母 材 的 静 强 度 相 当。然而在特殊情况下，由于热影响区和缺口效应的影响，焊接区域的断裂韧性会降低。因此，根据不同焊接类型导致的缺口效应不同，导致焊缝的许用应力会降低。本构架针对全焊头焊缝，采用等同于母材许用应力值 323 MPa，而针对部分焊透焊缝则考虑 1.5 的安全系数，其许用应力为 355 MPa/1.5=237 MPa。基于上述评估准则，通过分析软件，针对每个静强度工况组合进行载荷施加，分别得到构架结构上的 Von-Mises 应力，对构架静强度进行有限元分析。分析结果显示，构架母材静强度和焊缝静强度均满足要求，其中母材最大应力为 267 MPa，发生在横向止挡座，如图 3 所示；焊缝最大应力为232 MPa 发 生 在 转 臂 定 位 座 端 头 焊 缝，如 图 4所示。表 4超常载荷组合工况（EN 13749-F2.1）序号12345678910工况说明直线冲击曲线（进、出曲线）电机短路（一侧短路，另一侧正常启动）紧急制动脱轨电机振动附加质量（惯性）减振器起吊工况（整车/车间）载荷说明垂向载荷垂向载荷+纵向冲击载荷垂向载荷+横向载荷+菱形载荷+抗侧滚载荷+扭曲载荷垂向载荷+电机短路扭矩（另一侧启动扭矩）+齿轮箱吊座短路载荷（另一侧启动载荷）+牵引纵向力（平均施加）垂向载荷+制动载荷（垂向+纵向）+制动纵向力+踏面清扫工作载荷脱轨载荷垂向载荷+电机振动载荷垂向载荷+制动夹钳惯性+踏面清扫惯性+齿轮箱惯性垂向载荷+各减振器载荷起吊载荷（二系起吊止挡/构架吊耳）表 5疲劳载荷组合工况（EN 13749-F2.2）序号12345678工况说明直线直线浮沉+侧滚曲线+浮沉+侧滚牵引制动电机振动附加质量（惯性）减振器工况载荷说明垂向载荷 FZ表 F.1+抗侧滚扭杆载荷 D.6表 F.1+（菱形载荷+扭曲）C2.2+抗侧滚扭杆载荷 D.6表 F.2+（电机启动扭矩+齿轮箱吊座载荷+牵引纵向力）D.5表 F.2+（制动载荷（垂向+纵向）+制动纵向力+踏面清扫工作载荷）D.4表 F.2+电机振动载荷（三向）D2.1表 F.2+（夹钳惯性载荷（三向）+齿轮箱惯性载荷）D2.2表 F.2+各减振器载荷 D.3表 3S355 级材料机械性能屈服强度 Re/MPa355抗拉强度Rm/MPa470630延伸率 A/%21冲击功 Kv2/J27（-40）32第 4 期基于 DVS 1612 准则的焊接构架设计及强度评估4.3疲劳强度评估根据疲劳载荷组合工况将载荷分别施加到构架有限元模型上，基于计算结果，找到在该组合工况下结构的最大应力，然后基于 DVS 1612 准则进行评估计算出该位置强度利用率。其中等级 A 对应于母材强度评估，而针对焊缝评估，需按照前述表 2 明 确 的 不 同 焊 缝 型 式 确 定 所 应 用 等 级 进 行评估。具体焊缝及对应强度等级下的疲劳强度许用应力值根据式（1）式（4）计算得到。为达到最快捷的评估过程，本构架分析中首先基于分析软件对焊缝进行建模识别，并将焊缝型式、板厚、焊缝方向坐标均以及式（1）式（6）建入后处理软件，进行自动识别和利用率计算分析。分析软件的焊缝建模如图 5 所示。经结构优化及计算分析，构架母材疲劳强度利用率为最大 0.94，母材总体利用率如图 6 所示；构架焊缝疲劳强度利用率为最大 0.89，焊缝总体利用率如图 7 所示。5 结论DVS 1612 准则对焊缝接头及对应强度等级的详细分类，导致分析计算得工作量大增，但因其与EN 15085 标准体系的结合，使其强度评估与构架焊接制造的实际过程相关联，同时根据不同方向应力对焊缝疲劳损伤的影响，进一步将疲劳强度按照不同方向的应力进行评估，使其评估结果更准确。这是其他强度评估标准不具备的特点，也因此该标准目前在行业逐渐推广应用开来。文中所述构架严格基于 DVS 1612 准则进行设计和强度评估，结果显示强度满足要求，同时为后期构架焊接制造过程提供了工程指导，针对较高利用率的焊缝可适当提高质量等级或通过机械打磨的方式，以保证构架寿命期内的疲劳可靠性。另外，熟练掌握 DVS 1612 标准后，设计时可对不同焊缝型式的疲劳强度的有了基本判断，结合其 MKJ 图，在结构设计时可较高效率地完成焊缝设计和优化。图 3构架静强度评估母材最大应力位置云图图 4构架静强度评估焊缝最大应力位置云图图 5构架疲劳评估焊缝建模识别图 6构架母材疲劳利用率云图图 7构架焊缝疲劳利用率云图33铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 参考文献1 杨集友，王显亮，孙浩晏，等动车组转向架构架材料的研发及应用J铸造技术，2020，41（8）：736-741.2 German Association for Welding and Related Procedures.Design and Endurance Strength Evaluation for Welded Steel Joints in Railway Vehicle Construction：DVS1612S Dusseldorf：German Association for Welding and Related Procedures，2014.3 欧洲标准委员会铁路应用轨道机车车辆以及轨道机车车辆部件的焊接：EN 15085-3S.布鲁塞尔：欧洲标准委员会，2007 4 胡忠安，张晓艳，程亚军.基于 DVS 1612 准则的焊接结构疲劳评估方法J.大连交通大学学报，2019，40（2）：33-37.5 欧洲标准委员会.热轧结构钢产品：EN 10025-5S.布鲁塞尔：欧洲标准委员会，2004 6 欧洲标准委员会.铁路应用转向架构架结构要求：EN 13749S.布鲁塞尔：欧洲标准委员会，2011.7 国际铁路联盟.动力转向架结构强度试验方法：UIC 615-4S.巴黎：国际铁路联盟，2003 8 国际铁路联盟.拖车转向架结构强度试验方法：UIC 515-4S.巴黎：国际铁路联盟，1993 The Design and Strength Evaluation of Welded Frame for Bogie Based on DVS 1612YANG Jiyou，LI Zhanyi，YIN Xiaoliang，LYU Changxiu，WANG Yisong（CRRC Changchun Railway Vehicles Co,Ltd.，Changchun 130062 Jilin,China）Abstract：As the main loading and force transmitting structure of rail vehicles,the bogie frame bears various complex static and dynamic load conditions during operation.Therefore,the fatigue strength is the guarantee for the safe and reliable operation of the vehicle during its whole life.DVS 1612,as the evaluation standard of frame strength,has obvious advantages in accuracy and reliability due to its combination with EN 15085 welding standard system.In this paper,the design process of frame based on DVS 1612,the static strength and fatigue strength evaluation method based on DVS 1612 are described in detail,and evaluated the strength of the designed bogie frame.Key words：bogie frame；welds；fatigue strength34