1 引言
高速舒适的动车组给旅客带来方便、快捷的同时，也向各零部件提出了更高强度和寿命要求。枕梁是车体底架与转向架连接的重要部件，受力较大，承担全车的重量，并通过心盘将重量传给走行部，若在列车运行中出现裂纹以至断裂，将出现严重的后果。
为了保证枕梁的设计及制造质量，相关标准明确提出了在满足静强度试验要求的同时，要满足疲劳试验1000万次的要求。为适合城际和干线铁路低成本、制造简单的要求，某城际动车组采用了焊接结构的转向架枕梁。但在进行疲劳试验进行到711万次时，对枕梁进行磁粉探伤，在枕梁上盖板折弯区域距外边缘约110mm处出现了10mm长度左右的裂纹。
图1 枕梁裂纹
2 裂纹原因分析
2.1 枕梁材料原因分析
枕梁采用铸件与钢板组合焊接而成，枕梁两侧端部为铸件，所用材料为G20Mn5，机械性能参考《EN10213-3-1996耐压铸钢件供货条件第三部：低温下使用的钢》；枕梁中部采用钢板焊接箱型结构，钢板材料为Q345E，机械性能参考《GB/T 1591-2008低合金高强度结构钢》。
枕梁试验结束后，切割了裂纹区域部分材料进行了材料力学性能、工艺性能检测和化学成分检测，发现铸钢件中S、P含量比标准中略高，对材料的焊接性能造成一定影响，另外由于未提前对枕梁进行射线探伤，不能确定深层材料中是否存在微裂纹。
2.2 仿真计算原因分析
完成转向架枕梁三维设计之后，为了满足结构运行的安全性，采用有限元法，应用大型通用工程仿真分析软件ANSYS-Workbench，对枕梁进行静强度分析。枕梁的刚度用其在刚度工况下枕梁的垂向变形值来校核，计算得到枕梁的变形最大值约为0.31mm，位置为枕梁端部。见图2。
图2 刚度工况下枕梁的变形云图
枕梁各计算工况的最大当量应力出现部位及相应的许用应力如表1所示，图3、图4为超常载荷及运营载荷工况下转向架枕梁的应力云图。
表1 枕梁各载荷作用下的分析结果表（MPa）
计算结果表明：
图3 超常载荷工况1下枕梁的应力云图
图4 运营载荷工况1下枕梁的应力云图
由表1和图2、3、4可看出，在各载荷工况作用下，枕梁上的最大当量应力值均小于材料的许用应力，虽满足强度标准要求，但最大应力仍较高，且上盖板与下盖板组成比较刚度不协调，造成上盖板折弯处变形较大，适配座与中间箱型结构比较刚度不协调，造成上盖板拉应力较大。
2.3 工艺因素
对材料进行了化学成分检测之后，对焊缝也进行了检测，焊缝存在微裂纹，焊缝也存有少量缺陷。
2.4 试验因素
枕梁出现裂纹后对疲劳试验工装进行了检测，发现某螺栓有松动现象，在试验时易导致枕梁发生较大振动。
3 枕梁优化方案设计
3.1 对枕梁料进行严格控制
首先对新枕梁原材料进行了多项材料性能检测及射线探伤，对其化学成分进行了分析，均无问题后，开始进行加工。每项加工工艺完成后按标准进行超声波探伤或磁粉探伤检查。
3.2 设计方案优化
改变原枕梁为上盖板与筋板相连的结构，改为下盖板与筋板相连的结构。首先利用Ansys软件进行了刚度计算：优化后的枕梁刚度比原枕梁刚度更为协调。
图5 优化后的枕梁刚度工况下的变形云图
后进行强度分析计算得到了较为理想的结果：优化后枕梁在超常载荷工况作用下，最大当量应力值为175.1MPa，运营载荷工况作用下，最大当量应力值为101.6MPa，比原枕梁的最大应力值小了约1/3。
图6 运营载荷工况2下枕梁的应力云图
3.3 工艺优化
考虑到在加工枕梁上盖板的折弯时，枕梁材料内部容易出现微裂纹等多重因素，取消了枕梁上盖板的折弯，降低了工艺难度，同时在对新枕梁进行焊接时，严格控制焊接工艺，焊后进行了探伤检查。
图7 原结构
图8 优化后的结构
3.4 试验优化
在对新枕梁试件进行静强度与疲劳试验期间，多次检查试验状况，保证试验期间试验台及其工装无问题，无螺丝松动，保证了测试数据的正确性。
图9 枕梁静强度及疲劳试验台
4 结论
从材料、设计、生产工艺、试验各个方面对枕梁出现裂纹的原因进行分析，并有针对性的对枕梁进行了优化设计。利用ANSYS软件验证新枕梁满足强度及疲劳标准要求后进入采购生产制造周期，在关键阶段对物料和焊缝进行探伤检测，保证了新枕梁的生产质量。经过上述优化方案，在静强度试验中新枕梁的应力值远小于许用应力，且在1000万次的疲劳试验未出现裂纹，顺利的通过了型式试验。
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