DF4D型半悬挂机车转向架构架局部裂纹的原因分析及处理.docx

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DF4D型半悬挂机车转向架构架局部裂纹的原因分析及处理

第砑卷增刊１

２００７年１０月

铁道机车车辆

ＲＡⅡ胛ＡＹＩ。

０ＣＯＭＯＴＴＶＥ＆ＣＡＲ

Ｖ０ｔ．２７

Ｓｕｐｐｌ，１

Ｏｃｔ．２０昕

文章编号：

１００８—７８４２（２００７）ＳＩ一０００８—０４

ＤＦ４Ｄ型（半悬挂）机车转向架构架局部裂纹的原因分析及处理

丁凤铁，石永生，刘锡泉，王惠玉

（大连机车车辆有限公司技术中心，辽宁大连１１６０２２）

摘要ＤＢＤ型（半悬挂）机车２ｔＵ４年８月在转向架构桨局部处发现裂纹，为此采用了有限元分析、动力学仿真计算、静强度及疲劳强度试验、线路动应力测试、现场应急处理等手最．介绍了裂纹产生的原因、试验结论。

及时制定了机务段改造、中修、大修、新造等方案及处理措施。

解决了这一危及行车安全的问题。

关键词ＤＦ４Ｄ型（半悬挂）机车；构架；裂纹；原因分析；试验结论；段改；中修；大修；方案中围分类号：

Ｕ２６２．３３１

文献标志码：

Ａ

我公司生产的ＤＦ４Ｄ型（半悬挂）机车于２０３４年８月在转向架构架局部处发现裂纹后，公司根据铁道部、

中国北车集团各级领导的指示做了大量的工作，对机

务段运用机车及入我公司大、中修机车也作了彻底处理，保证了该型机车的正常安全运营。

为更好的提高该型机车大、中修的质量，消除构架裂纹给行车安全造成的隐患，本文将有关情况汇总如下：

Ｉ现车的处理及改进工作

裂纹发现于丰台机务段、原天津机务段的ＤＦｋ型（半悬挂）机车构架的中间轴上拉杆座后端与补板连接处（见图１）。

图１裂纹位置三维圈

对该处裂纹的处理分别作了以下几方面的工作

１。

１理论计算与试验

（１）裂纹发生的机理原因分析及改进方案评估（２）改进方案构架的静强度及疲劳强度试验；（３）改进方案构架的动应力测试；（４）现有机车构架的补强处理。

＊２Ｕ０６年机车动力学及强度学术年会论文

丁凤铁（１９６３一）男，辽宁黑山人。

教授级高级工程师（收稿日期

１．２补强处理

现有机车的补强处理分为机务段改造、中修、大

修及新造等几个环节进行。

（１）普查及机务段改造

２００４年８月２６日收到丰台机务段就ＤＦ４Ｄ型（半悬

挂）机车转向架构架局部出现裂纹的传真后，立即派

设计师、工艺师赴机务段了解情况，查看出现裂纹的部位及裂纹程度，现场就此处裂纹分析原因将处理办法以书面的形式向段方做了解释，并由公司立即派人按焊修方案对构架进行焊修处理。

随后，公司先后派出两批６２人次专业检查人员就全铁路１１个铁路局（公司）、３５个机务段的１２７台货运机车、５６０台客运

机车进行了全面普查，并进行了应急处理，保证了春

运的安全运营。

（２）新造

对构架裂纹处进行了改进设计（见图２）。

固２改进设计方案三维圈

增刊１

ＤＦ４Ｄ型（半悬挂）机车转向架构架局部裂纹的原因分析及处理

９

具体改进措施为：

①加大补板尺寸，将原来焊缝应力集中点消除。

②加焊新的补强板。

③增加新的三角筋板。

（３）中修、大修

进机务段中修及轻大修、进公司中修及大修的ＤＦ４Ｄ型（客、货）运机车构架应首先进行探伤并消除裂纹，再将中间轴上拉杆座后端的补板铲掉，按改进后的图纸进行补强。

２对构架裂纹原因分析及改进后的评估

为了彻底搞清构架裂纹原因及改进后的效果，切实保证运用安全可靠，公司决定针对这一问题进行４方面的工作，即两个试验和两个计算，由试验结果和理论分析对改进构架作出科学的评估。

２．１裂纹原因分析

ＤＦ４。

型（半悬挂）机车转向架构架的设计是采用了ＤＦ４Ｂ、ｃ的成熟结构，构架结构基本与ＤＦ４Ｂ、ｃ相同。

考虑到机车牵引力增大后，机车牵引吨位和速度都有增加，从而引起构架的受力增加，设计中对相关断面进行了补强。

但由于构架局部在设计和工艺上考虑不周，主要是二位横梁与侧架交接处的三角筋板焊接起弧处与拉杆座补板有１５ｍｍ的间隙，该点有明显的应力集中（如图３），此处又是多条焊缝的集合点，因而导致了构架局部产生裂纹现象。

（ａ）改进前

（ｂ）改进后

图３二位横粱与侧架交接处的三角筋板

改进后，加长了三角筋板的长度（加长６５一），

将连接点移至拉杆座补板处，消除了应力集中，又增

加了节点刚度的协调性。

为了确认改进方案的效果，对改进方案进行了三维有限元计算分析，并对原方案与改进方案的计算结

果进行比较分析，经分析在裂纹部位，原方案应力为

１５９．４ＭＰａ，改进方案该处为１１５．７ＭＰａ，应力下降了刀．４％，改进方案效果明显（见图４）。

２．２新造车构架静强度和疲劳强度试验

为保证改进后构架的安全可靠，公司按照改进后

的设计制造了一个构架，按ＴＢ／Ｔ２３６８—１９９３《内燃、电力机车转向架构架静强度试验方法》及《内燃机车

３轴转向架构架静强度试验大纲》和《内燃机车３轴

转向架构架疲劳强度试验大纲》，由铁道科学研究院机车车辆检验站作了静强度和疲劳强度试验。

（ａ）原方案（ｂ）改进方案

图４原方案、改进方案的三维有限元计算结果比较

经各种工况下的静强度试验及６００万次循环的疲劳试验，改进设计后的构架静强度及疲劳强度试验结果符合规范要求。

２．３对原方案和改进方案构架做线路动应力试验

该试验是对改进后的补强方案进行动应力测试与疲劳强度评估，以验证补强方案的可行性。

试验于２００５年４月１２日一１８日由我公司与铁道科学研究院机车车辆研究所、北京铁路局原天津机务段共同完成。

试验选取了ＤＦ４ｖ０１１６号客运机车，其中一个转向架构

架进行了补强，另一个未补，该机车已走行１７７．１万ｋｍ。

试验在天津一山海关和天津一济南铁路正线进行，走

行１３００ｌ【｜１１，全程记录６２个测试点。

采用ＴＢ／Ｔ１３３５—

１９９６《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》和ＯＲＥ

Ｂ１２／ＲＰｌ７（Ｓｔａｎｄａｒｄｉｓａｔｉｏｎ

ｏｆ

Ｗａｇｏｍ）进行疲劳强度评

估。

由试验结果得出以下结论：

（１）各测点的最大应力小于材料的许用应力。

（２）在存活率９０％以下。

１４号测点的预测寿命为

３０９万Ｉｏｎ，其他测点的预测寿命均大于３７０万ｋｍ（见

图５）。

（３）转向架改造后，１７号和３８号测点部位的疲

劳强度较未改造有所降低，预测寿命均大于３７０万ｋｍ

（见图５）。

２．４构架静强度和疲劳强度的有限元分析

为了校核补强方案比原方案强度水平提高的效果，根据ＴＢ／Ｔ２３６８—１９９３《内燃、电力机车转向架构架静

强度试验方法》，我公司采用ＡＮＳＹＳ７．１有限元计算分

析软件对补强前后的两个构架进行了静强度和疲劳强

度分析。

计算表明补强方案裂纹部位在各计算工况条件下

的应力值均比原方案有明显下降，各计算工况应力下

１０

铁道机车车辆第刀卷

ｔ

峙

｜Ｉ

／

Ｆ＝Ｗ

圈５测点部位

降均在２５％左右。

两种方案的整体应力分布基本相同，其最高应力均在许用应力范围之内。

根据以上分析，建议采用该补强方案。

从构架材料的疲劳极限图中可见．如果焊缝部位

处理得好，能够消除焊接残余应力，则所有关心部位的节点应力幅值均在所允许的安全范围之内。

２．５构架疲劳寿命的预测和分析

根据ＤＦ４Ｄ型（半悬挂）机车的动力学参数，建立

该机车详细的动力学模型，包括各个悬挂和支撑点，

通过给定线路状况的模拟，分析机车转向架在常用和典型曲线以及带有不平顺直线线路的动力学响应，得

到相关点的动态载荷，以时间或历程作为载荷的计算

方式。

利用现有的ＤＦ４Ｄ型（半悬挂）机车转向架有限元

模型（考虑关键部位的焊接影响），得到单位载荷下构架的动应力／应变。

将得到的动载荷按照构架的实际结构和约束方式，施加到构架的有限元模型上，利用ＦＥ—Ｆａｔｉｇｕｅ进行虚

拟的疲劳寿命分析。

通过分析得出该构架上危险截面和疲劳寿命的分

布。

通过上述工作得出的结论是补强后的ＤＦ４ｖ型

（客、货）运机车构架基本上满足运用上的要求，对于现车结构来说补强方案是一种非常有效的措施，建议各机务段、大修工厂立即实施。

３珊ｋ型（半悬挂）机车构架局部裂纹处理方案

３．１在机务段的机车改造方案

（１）在原构架与补板连接的侧架下盖板和立板处将油漆打磨掉，进行磁粉探伤或着色探伤检查。

（２）对存在裂纹的部位，先按裂纹处两端延伸方

向距裂纹点５一处用电钻钻出≠５ｍｍ的止裂孔。

（３）在构架中间轴上拉杆座后端与补板连接处的

立板和下盖板上分别焊接一块垫板进行补强。

田６构絮结构简圈

豳７构颦的局部视图

材科：

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材料：

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增刊１ⅡＦ４。

型（半悬挂）机车转向架构架局部裂纹的原因分析及处理

圈１０构桨局部视圈

Ｉ

圈１ｌ构絮局部放大圈

ａ１６

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景

＿

ｌ∞

翻１２垫板２

圈１３筋板２

其余∥

＾一＾

Ｉ：

１

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（４）在构架中间轴上拉杆座后端垫板的上方增加１块加强三角筋板；具体参照图６一图１２。

３．２中、大修机车构架的补强方案

进公司大修的ＤＩ’４Ｄ型（客、货）运机车构架首先

进行探伤。

探伤后的构架如果发现裂纹则按下述方案

进行修复：

（１）将该处补板铲掉。

（２）在裂纹处用砂轮或其他方法切割出１０１１ｌｌｎ、

宽１５ｍｍ的坡口。

（３）在裂纹的终端钻≠５一孔，防止裂纹延伸。

（４）用Ｅ５０１６焊条焊修坡口，焊好后将焊缝磨平。

（５）在原补板处焊接图１３所示筋板２。

（６）在上述基础上按机务段改造方案中（３）一

（４）项要求进一步进行补强。

如果构架探伤后没有发现裂纹则按下述方案进行修复：

（１）将该处补板铲掉。

（２）在原补板处焊接图１３所示筋板２。

（３）在上述基础上按机务段改造方案中（３），（４）项要求进一步进行补强。

４结语

目前，部分进入工厂大修的ＤＦ４Ｄ型（客、货）运机车均已按上述方案对构架进行了处理，经过１年多

来的运用表明，处理后的构架满足运用要求。

参考文献

［１］肖守讷，等．ＤＦ４Ｄ型机车转向架构架结构静强度与疲劳强

度评估分析，ｓＵ字第２０７号［Ｒ］．成都：

西南交通大学，

２００５．

［２］傅秀通，等．ＤＦ４Ｄ型机车转向架基于动力学的疲劳寿命计

算报告，ＥｓＰ２００５０２０２—０２［Ｒ］．北京：

北京奥斯普科技有限公司，２００５．

［３］傅秀通．等．ＤＦ４Ｄ型机车转向架基于实测动应力的疲劳寿

命计算报告，ＥｓＰ加０５０２０２—０２［Ｒ］．北京：

北京奥斯昔科

技有限公司，２００５．

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DF4D型（半悬挂机车转向架构架局部裂纹的原因分析及处理

作者：

丁凤铁，石永生，刘锡泉，王惠玉

作者单位：

大连机车车辆有限公司,技术中心,辽宁大连,116022

引用本文格式：

丁凤铁.石永生.刘锡泉.王惠玉DF4D型（半悬挂机车转向架构架局部裂纹的原因分析及处理[会议

论文]2006