摘　要: 分析了哥伦比亚麦德林市地铁电动车组铝合金车体产生裂纹的原因,提出了进行修复的方案。

关键词: 地铁;电动车组; 裂纹

 

      麦德林地铁公司一次又一次地试图修复主要出现在动车上的枕梁裂纹。车辆段装备精良,对受损部位的焊接质量也非常高。但是,仅仅不到2个月,裂纹就会再次出现。这种情况一遍又一遍地发生,裂纹往往出现在同一位置,这样下去车辆使用起来很不经济。地铁公司求助于PROSE有限公司以终止裂纹的发生,并想让修复工作能够在麦德林地铁工厂的厂房里完成。

 

      地铁列车为3辆编组的电动车组(图1),两端是2辆带动力转向架的动车,中间是无动力的拖车。每辆车有2台2轴转向架,车体支撑在4个空气弹簧上,空气弹簧坐落在转向架的纵向梁上并且与车体枕梁相接(图2)。从转向架到车体的纵向力是通过钢质中心销传递的,中心销用螺栓连接在铝制箱型枕梁上。枕梁由铝挤压型材制成,壁厚10 mm~12 mm,焊接在车体上。枕梁尺寸为2 900 mm×440 mm×195 mm。每辆车有2个枕梁,枕梁部位屡屡受到损坏。

 

      为了进行分析,有必要访问哥伦比亚,现场考察受损坏的电动车组,以搜集完整的裂纹数据、设计图纸和照片。我们还与麦德林的职工就这个问题进行了讨论。与此同时,在瑞士的温特图尔我们研究了列车的结构图纸和原始应力计算。独立专家S. Leutenegger也参与了此项工作。

      从我们在麦德林的现场调研和在温特图尔所做的研究,得出了如下结论:

      (1)枕梁上的裂纹出现在3个位置,枕梁中部(图3)下盖板与车体纵梁间的焊接部位、电缆管与枕梁之间的焊接部位、风管孔附近。

      (2)中心销以及转向架的纵向止挡上存在磨损痕迹。

      (3)返修间隔约2.5万km,也就是列车每运行2个月。

      (4)地铁线路状况很好,只有少量道岔且小半径曲线不多。

      (5)项目阶段加速度/减速度设置过低(系数为1.5),实际加速度约为1.1 m/s²(加速时)和1.2 m/s²(制动时)。

      (6)加强筋的尺寸和数量都不足。

      (7)枕梁材质为铝合金Unidur-102(AlZn4.5Mg1)。

      (8)原始设计中应力计算用的是STRUDL软件。

 

      在得到上述初步结论后,提出了一个损伤论题,进而加以证明或反驳。大体上,裂纹的产生与下列因素有关:

      (1)中心销以及转向架纵向止挡上的磨损痕迹表明,运行中这些部件受到剧烈的应力,因为它们缺乏足够的弹性回弹。纵向杆上的钢骨架橡胶座太软,使得中心销不断与转向架碰撞。

      (2)加强筋数量少而且尺寸不够大,导致枕梁变形,尤其是在加速和制动的情况下。PROSE有限公司使用3D-CAE软件进行的初步粗略计算表明确实存在这种情况,计算显示的大应变位置正好就是列车实际出现裂纹的地方。

      (3)枕梁使用的材料Unidur-102被认为对完全淬硬型应力裂纹腐蚀具有敏感性。可是,材料实验室所做的试验排除了该材料的性能是裂纹成因的可能。

      (4)原始的应力计算不是很精确,这是因为STRUDL软件所用尺度和体积算法,不能突出显示峰值应变。再者,应力预测也不够准确。作为比较,选取了铝材和焊缝的数值。相关的DVS1608规范规定焊缝应完全焊透,但是,枕梁上的焊缝并没有完全焊透,只是部分焊透。

      根据以上分析,找出了裂纹产生的原因。首先,缺少加强筋是裂纹产生的主要原因。其次,不够精确的应力预测也有一定的影响。第三,车辆运行中中心销及转向架止挡受到的撞击使情况更加恶化。

      (1)焊上加强筋。可是这意味着很高的成本和复杂的焊接,还意味着每列车必须脱离运营相当长的一段时间,对于地铁公司而言,从运营和经济上讲都是不利的。

      (2)插入一截全新的枕梁中段。这也涉及到非常复杂的焊接和列车长期脱离运营,还必须考虑到新枕梁中段的制造成本。

      (3)仔细考虑了从外部来加固枕梁。用螺栓将镀锌钢质连接装置的两边固定到车体地板下面的燕尾槽上,另一边用螺栓通过装中心销的螺栓孔固定到枕梁上。只需要很少的焊接工作就可将裂纹处封固。与采用新枕梁相比,连接装置制造容易,且制造成本很低。

      3个方案提交给了地铁公司,公司认为第3个方案具有简单易行的优点,决定采用。

      枕梁外侧的风管孔周围也是裂纹的高发区。降低应变峰值最简单的办法是焊上一块板把风管孔堵死,在远离枕梁的地方另开风管孔。

 

      为了避免修复部位再次发生裂纹,为最终修复制订了一套焊接程序规范(WPS)。其最主要的特点是惰性气体保护焊(TIG)时,使用的是氦气而不是氩气,从而优化了热输入并使焊后收缩降低到最小。对其他参数也进行了优化,例如预热温度和用气量。

 

      对计划采用的修复办法进行了有限元计算,计算证实了预测的结果。在两侧安装连接装置后,显示出枕梁中部(存在缺少筋板、电缆管焊缝问题)的应力降低了35%。而堵死风管孔则使原风管孔处的枕梁应力减小了76%(表1)。

      麦德林地铁系统运行的是铝合金地铁列车,这些车辆在使用12年后,发现转向架支撑区域周围出现有规律的裂纹。PROSE有限公司受委托对损伤进行分析,并提出了进行必要修复的解决方案。

      没过多久就确认了裂纹是由于各种因素的综合作用造成的,这也被CAE机械强度计算所证实。损伤的最终修复办法是对中心销枕梁处采取专门的设计措施,以及优化焊接修复工艺流程。图6为预制钢质连接装置安装在枕梁的情形,它能够确保车辆一直使用到2025年以后。修复工作是由麦德林地铁员工在车辆段里完成的。