地铁列车转向架关键部位分析
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摘要：本文通过裂纹数据统计分析呈现故障频繁部位，强度校核研究评定关键受力部位，动态测试分析确定振动超限及动应力集中部位，并以实际运营情况为导向，综合评估后确认转向架关键部位。对关键部位进行标记，纳入日常检修规程进行重点检查，提升检修效率，保障运营安全。
关键词：转向架;关键;效率
转向架是地铁列车最重要的部件之一，转向架的安全运行是地铁列车实现安全运营的必要条件。长期以来，由于设计、制造缺陷及线路运营状况恶化的原因，转向架部件（非紧固件）裂纹故障日益严重。为防止裂纹故障造成重大安全事故，运营企业投入大量资源对转向架进行日常检修，保障安全。然而，由于转向架结构复杂、检修任务重及检修人员技能差异等因素的影响，转向架裂纹时常未能及时处理并继续上线运营，或者出现严重开裂甚至断裂故障后才被发现，正线掉物事件时有发生，检修效率低并存在严重安全隐患。
本文通过裂纹数据统计呈现故障频繁部位，强度校核研究评定关键受力部位，动态测试分析确定振动超限及动应力集中部位，并以实际运营情况为导向，综合评估后确认转向架关键部位。对关键部位进行标记，纳入日常检修规程进行重点检查，有效克服转向架结构复杂、检修任务重及检修人员技能差异等因素的影响，提升检修效率，保障运营安全。
本文的分析案列是两种国内普遍使用的80km/h地铁列车转向架，一是中车株洲电力机车有限公司ZMA080型转向架，二是中车长春轨道客车股份有限公司CW4000型转向架。数据统计时间段2010年-2016年，2017-2018年陆续完成标记工作，跟踪分析至今运用情况良好。详细如下：
一、裂纹数据统计
本次统计的裂纹为探伤和日常检修发现的裂纹。探伤包括架大修和日常周期探伤，发现裂纹占总数85%以上。目前转向架部件探伤方法普遍使用超声波探伤、磁粉探伤及渗透探伤，以上三种探伤方法可对裂纹进行准确的定性检测[1]。
统计的裂纹数据共274处，裂纹长度范围13-100mm，分布于转向架七大部件14个部位。根据统计的裂纹次数规律，ZMA080型转向架裂纹频繁部位集中于信号天线支座、支架焊縫，构架横侧梁焊缝、齿轮箱吊座焊缝等;CW4000型转向架集中于信号天线支座、支架焊缝，构架侧梁弧形部位焊缝、电机安装座，轴箱箱体一系簧安装座等。
二、强度校核研究
本次研究收集强度校核报告共36份。强度校核普遍通过ANSYS或ABAQUS有限元分析软件建立有限元模型，按照UIC615-4标准输入工况计算各点应力值，根据应力值进行静强度和疲劳强度校核。
报告中静强度校核标准：对于超常工况下，各点计算应力均不得大于材料的屈服强度极限。实际就是按照传统安全系数法进行校核，屈服强度极限与计算应力比值称为安全系数，安全系数≥1视为安全。然而，安全系数的值难以确定，并且不能评定部件的安全性有多大程度的保证。同时，按照传统安全系数法设计出的部件其寿命周期内仍有大量失效，第一节中裂纹统计可体现。
若从部件设计角度分析，以概率论为理论基础的结构可靠性设计方法比传统的安全系数法更为安全，能很好的保证部件的可靠性和质量[2]。因此，根据结构可靠性设计方法，结合转向架部件结构的复杂性，应力和强度分布较为离散，安全系数综合上浮至1.6，有效提升可靠性，即静强度校核中安全系数小于1.6的部位可评定为静强度关键受力部位。
疲劳强度校核标准：计算出的各点平均应力、应力最大及最小值按Goodman 疲劳极限图进行评定。疲劳强度校核中极限临界点所在部位可评定疲劳强度关键受力部位。根据上述取值方式，结合疲劳强度校核是模拟正常运营工况下进行的，因此安全系数综合上浮至1.2即可。
三、动态测试分析
动态测试主要是对频繁发生裂纹故障的部位或者安装频繁发生故障部件（如牵引电机）的部位进行的振动加速度和动应力测试，是对故障原因查找与确认，以及对强度校核的验证。由于现场条件的限制，测试的部位具有局限性，主要集中在信号天线支座支架、构架及轴箱等部件。
本次分析主要以青岛四方车辆研究所有限公司、铁道部产品质量监督检验中心及西南交通大学的现场动态测试为依据。三家单位测试所采用的测试设备、系统及数据处理方法均有不同，但均遵循较高的标准，测试内容大同小异。因此，综合三家单位的测试结果可准确的反应实际运营情况。
根据转向架部件技术资料及相关标准[3]，振动加速度极限综合取值（g=9.81m/s2）：信号天线支座支架不应大于垂19g横16 g纵13g，电机安装座不应大于垂6g横5g纵4g，齿轮箱吊座不应大于垂11g横11 g纵7 g，轴箱不应大于垂60g横25g纵25g。若实际测试值超过极限值，则该部位评为振动超限部位，并作为裂纹扩散速度评估依据。
本节动应力疲劳校核标准与第二节中疲劳强度校核标准一致，不同是本节动应力数据是实际测量数据。疲劳强度校核中极限临界点所在部位可评定为动应力集中部位，安全系数综合上浮至1.3（考虑实际误差提升安全系数标准）。
四、综合评估
综上分析得出的结果，裂纹故障频繁部位、强度校核关键受力部位、动态测试振动超限及动应力集中部位基本一致但并不完全一致，这是理论和实际差距的体现，也是不可避免的理论误差。因此，综合评估并不能均衡的衡量三方面的因素。
基于三方面因素的影响，结合裂纹扩散速度及断裂可能性，以实际运营情况为导向，确定以下评分标准进行关键部位评估：
（一）裂纹评估得分：裂纹次数×0.2;
（二）动态测试评估得分：振动超限部位+0.25、动应力集中部位+0.25;单项未测试以另外一项测试结果为准，可累加;两项未测试，则以强度校核评估得分为准;
（三）强度校核评估得分：静强度关键受力部位+0.2、疲劳强度关键受力部位+0.2;不与动态测试累加评分，以动态测试评分为优先;单项未校核以另外一项校核结果为准，双项未校核及动态未测试以裂纹评估得分为准，可累加;
（四）裂纹扩散速度评估得分：迅速+0.4、中等+0.1;
（五）断裂可能性评估得分：很可能+0.6、比较可能+0.3、不太可能+0.1;
若五项得分相加的总得分≥1，则评估为关键部位。通过计算，确定以下20处部位为转向架关键部位，详见表1。
通过对关键部位进行标记，纳入日常检修规程进行重点检查，部分现场标记详见图1。其中信号天线支座、支架由于所有焊缝判定为关键部位，无需标记重点检查;轮对踏面无需标记重点检查。
五、结论
本次关键部位分析对深圳地铁80km/h转向架检修有重要的意义，提升检修效率，有效保障运营安全。目前，已使用同样的分析方法评估120km/h转向架关键部位，全面提升效率。并且，对于新建线路及增购列车同类转向架，已要求厂家出厂时按同样要求进行标记。
同时，分析还对以下三个方面工作产生积极意义：有助于转向架部件故障自动检测技术的准确应用;验证目前无损探伤部位有效性，同时为新增的预防性探伤提供依据;为智慧运维项目的推行提供强有力的支持。
参考文献
[1] 周乐，张志文.无损检测及其新技术[J].重庆工学院学报，2006（08）：46-48.
[2] 刘玉娟.结构可靠性设计与安全系数法的分析与比较[J].现代雷达，2015，37（01）：74-77.
[3] EN13749-2005、IEC61373-2010
（作者单位：深圳市地铁集团有限公司运营总部）
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