1 前言
早前曾出现一辆铁路货车中的13号车钩托梁折断。经调查，该车钩托梁为13号车钩用托梁，材质应为ZG230-450，其性能及要求均需符合TB/T1486-1999（《13号车钩用车钩托梁》）的规定。针对断裂事件，我们展开了13号车钩用车钩托梁的断裂故障分析，通过理化试验、结构强度计算、静载破坏试验等，总结分析了13号车钩用车钩托梁的断裂故障原因及各工况运用性能。
2 原因分析
针对车钩托梁断裂故障，我们从断裂件出发而采取的措施有：一是将故障配件实物取样，进行化学成分及机械性能检测；二是使用Hyper Works10.0和ANSYS12.1仿真软件进行结构强度分析，三是随机抽取三件同型耗损车钩托梁进行静载破坏试验。
2.1 化学成分和机械性能检测
（1）依据标准TB/T1486-1999，该车钩托梁为材质为ZG230-450。对故障车钩托梁实物取样检验后，对照GB/T 11352-2009中ZG230-450材质要求，该故障车钩托梁的含碳量及残余元素铬含量严重超标；而强度指标中的断后伸长率低、断面收缩率及冲击值均远低于标准值。成分降低了车钩托梁的塑性、韧性。
2.2结构强度有限元分析
2.2.1车钩组成受力分析：采用Hyper Works10.0和ANSYS12.1软件，对13号车钩托梁的结构进行有限元分析。为方便计算，严厉考核下假设车钩组成的转动中心为车钩钩舌销中心线 ，而车钩固定点为钩尾销中心线（如图1所示）。根据力矩平衡，参考《车辆工程》上车辆系统受力分析，计算出车钩托梁在三种载荷下的受力分别为（13号车钩组成重量G=203kg，）：
（1）垂向静载荷N1，即车钩作用于车钩托梁上的垂直静载荷：
G×710×9.81=N1×334 ， N1=4.23kN；
（2）垂向动载荷N2，即连挂车钩作用于钩托梁上的垂直动载荷，车钩重量引起的动载荷。由钩舌S面之间的摩擦力f影响导致，而故障车的车钩组成符合《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》（TB/T1335-1996）中：“在弹簧装置中具有适当的减振装置时，货车KdL≥0.7”，故此动荷系数KdL取0.7。
N2= N1×KdL=4.23kN×0.7 ， N2=2.96kN；
（3）连挂车钩两钩舌S面之间的摩擦力，即车辆在通过竖直曲线或两连挂车钩距轨面高差大的情况下，考虑车钩间的纵向拉力F取值大秦铁路实测最大车钩拉力1765 kN，则一个车钩垂直向下拉另一个车钩所产生的载荷，载荷值为396.33KN。
F×75=N3×334 ， N3=396.33kN；
图1 车钩托梁受力简图
（4）静强度、疲劳强度工况分析：各工况载荷如表1、2所示。
表1 车钩托梁静强度计算工况载荷及计算结果
表2 车钩托梁疲劳强度计算工况载荷及计算结果
2.2.2 强度计算评估方法
由于结构和载荷的对称性，建立冲击座和托梁装配体的横向1/2模型。静强度按照TB/T 1335-1996相关要求考核；疲劳强度按照材料的Goodman疲劳极限线图考核。
通过计算分析得出，车钩托梁结构及疲劳强度均满足车辆运用工况要求。托梁的动应力幅和相应的平均应力点均落在材料的Goodman图的包络线内，可见托梁的动应力均小于材料的Goodman疲劳极限图的界定范围。因此，该托梁的疲劳强度满足设计要求。车钩托梁静强度及疲劳强度计算结果如表1、2所示。车钩托梁静强度计算应力云图如图2所示。
图2 车钩托梁静强度计算应力云图
2.3 静载破坏试验
在检修货车上随机抽取三件常态耗损13号车钩托梁，进行垂向静载破坏试验。试验件1、2号车钩托梁用于测验车钩托梁的最小破坏载荷值，试验件3号车钩托梁用于测验车钩托梁的断裂载荷值。
经过试验，车钩托梁1和2的最小破坏载荷分别为375KN和425KN，两试验件的裂纹产生区均为托梁下侧面及加强筋根部。而试验件3号断裂载荷为626KN，断裂的起始点为车钩托梁下侧面。车钩托梁静载破坏试验结果如表3所示，试验后试验件件照片如图3所示。
表3 车钩托梁静载破坏试验结果
图3 常态耗损车钩托梁静载破坏试验结果照片（从左到右依次为件1、2、3）
3 结论
通过理化试验、仿真计算和试验分析，前言所提车钩托梁断裂的主要原因是车钩托梁材质、力学性能不满足规定要求。在保证制造质量情况下，车钩托梁结构强度足以满足车辆各工况运用要求。该故障事件警醒我们在工作中应重点防范配件质量，加强车辆运用过程中的管理，避免野蛮操作；在货车厂/段修时，加强对旧件车钩托梁外表面锈垢和外观检查，尤其加强对配件横裂纹的检查。
参考文献
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