C70型敞车自2005年8月开始投入批量生产，至今为止，共生产约6万辆车，该车段修周期为2年，从2007年8月开始，该车陆续进入段修期。通过近几年来的运用考验，暴漏出枕梁盖板裂纹故障，虽然铁道部要求段修时加强枕梁盖板的检修，但故障仍未彻底消除，裂纹加修后开裂问题仍由发生。据统计，2009年8月至2012年8月期间天津车辆段天津检修车间共发现枕梁盖板裂纹故障40件，本文从分析产生裂纹原因入手，对枕梁盖板进行有限元的建模与分析，提出了合理化建议。
    1 产生裂纹原因的分析1.1 裂纹状况枕梁下盖板组成（以下简称枕梁下盖板）裂纹多发生在上心盘外侧25mm左右区域、枕梁盖板应力最集中处，裂纹长度最长约350mm，如图1所示。
    1.2 为进一步分析裂纹产生的原因，对12年7月份检修的C70 1551738号敞车出现裂纹的枕梁下盖板进行了分解取样，如图2、图3。
    取样过程中发现通长断口沿板厚方向有约2mm未裂透，断口处板上平面留有通长白色撕裂带。
    取下枕梁下盖板后，中梁下翼缘及心盘座的下平面在有裂纹侧的平面度偏差较大，主要是中梁下翼缘外侧低头造成的。
    枕梁下盖板中下平面与上心盘接触的边缘在靠近裂纹处有深度约0.5mm的压痕，如图4所示。
    1.3 C70 、C64型货车故障部位结构及比较C70、C64枕梁下盖板处的结构基本相似，且该结构较为传统，运用较为广泛，但两种车型在细节上仍有一些差别，如图5，主要有：
    （1）C70枕梁下盖板中为Q450NQR1钢板，C64枕梁下盖板中为09CuPTiRE或09CuPCrNi-A钢板。
    （2）枕梁下盖板中上平面与中梁下翼缘端头焊缝被枕梁下盖板遮盖部分，C70该部位为6mm角焊，C64为不焊。
    （3）C64上心盘直径为300mm（C64）338mm（C64K），枕梁腹板间距为260mm，C70上心盘直径为358mm，枕梁腹板间距为320mm。
    （4）C64为矩形板， C70枕梁下盖板与中梁连接端根部为圆弧结构。
    1.4 通过断口观察，疲劳源区位于表面，裂纹萌生处无外物损伤痕迹、加工刀痕、腐蚀损伤、磨损痕迹等缺陷，疲劳扩展区较大，并有疲劳辉纹，且疲劳辉纹间距小，表明扩展速率小。
    1.5 强度分析制造上，乙字钢中梁的上、下翼缘与腹板间均有角度偏差，心盘处隔板与下翼缘下平面组对时存在不平度偏差，枕梁下盖板中单件上也存在不平度偏差，因此组装后可能造成中梁下翼缘及心盘处隔板下平面与枕梁下盖板中上平面存在间隙，如图6。
    针对上述情况，对该部位进行了有限元对比分析，结果表明：
    （1）满载和侧滚工况下，枕梁下盖板中与中梁下平面有间隙情况下裂纹处产生的应力水平远大于无间隙情况。
    （2）满载和侧滚工况下，枕梁下盖板中与中梁下翼缘采用满焊时裂纹处产生的应力水平高于段焊方式。
    （3）在各种工况下，特别是垂向载荷工况，距中梁下翼缘约20mm，距心盘边缘约25mm处（既产生裂纹处），存在一条宽度约为20mm的拉应力区，在该拉力区的两侧均为压应力区。
    1.6 制造过程中的分析中梁制造过程中，须将心盘铆接在枕梁下盖板中下平面上，当枕梁下盖板中与中梁下平面间有间隙时，铆接心盘的作用力会引起枕梁下盖板中变形如图7所示。而当枕梁与中梁组对时，由于枕梁下盖板中变形，其与枕梁下盖板间的间隙变大，枕梁下盖板中与枕梁下盖板组焊前须通过组对胎型上的风缸顶紧，组装后会引起枕梁下盖板中产生裂纹区域的局部鼓起，如图8所示，这也是组装间隙大会导致残余拉应力大的主要原因。
    1.7 运用分析车辆运行中，以心盘为支撑点，装货后，枕梁在垂向载荷的作用下将向下弯曲变形，而该变形将进一步加大枕梁下盖板中产生裂纹区域局部鼓起程度，如图9所示，这种鼓起形式正是使鼓起中部形成条形拉应力区的主要原因，组装间隙越大，鼓起变形也越大，这也是组装间隙越大外载下应力越大的主要原因。
    2 分析汇总及结论2.1 综合分析2.1.1 C70型敞车自2009年8月以来，累计已检修了约0.6万辆车，目前发现出现裂纹的故障车数量为40余辆，约占已段修车辆总数的0.7%，且故障车的生产厂家比较集中，结合以上的分析及试验，该故障应属制造质量引起的。
    2.1.2 由取样情况及裂口分析结果看，枕梁下盖板中与中梁下翼缘下平面间的组装间隙较大，且组装后间隙未完全消除，运用中在垂向载荷作用下心盘与枕梁下盖板中间有微动，造成心盘边缘处的枕梁下盖板中下表面有磨痕。裂口为典型疲劳裂纹，疲劳载荷方向为沿车体横向与中梁中心方向垂直，从裂纹沿纵向扩展较长，而深度方向未裂透分析，裂纹处板质下平面应受与中梁垂直的拉应力，而上平面受压应力。
    2.1.3 有限元分析结果表明：组装间隙的存在导致在外载作用下，裂纹区域下平面产生较大的拉应力，通长焊缝结构会使应力水平进一步提高，且在裂纹区域形成条形拉应力区，引起上述应力的外载主要为垂向载荷。
    2.2 结论2.2.1 既有C70型敞车枕梁下盖板中产生裂纹故障是由于制造中枕梁下盖板中与中梁下翼缘下平面间组装间隙超差引起的，通长焊缝型式和组装残余应力也是引起裂纹的不利因素。
    2.2.2 导致裂纹区域产生破坏的作用载荷是由垂向载荷引起的疲劳载荷和组装过程中产生的残余应力的双重作用。
    2.2.3 减小枕梁下盖板中与中梁下翼缘下平面的组装间隙、采用段焊形式及提高枕梁下盖板中板厚均可提高裂纹区域抗疲劳能力，其中以减小组装间隙最为有效。
    2.2.4 组装间隙满足要求的既有车不会产生枕梁下盖板中母材裂纹。
    2.2.5 既有车产生裂纹后的焊修方案可显著提高裂纹区域抗疲劳能力，焊修后可满足车辆寿命期内的使用要求。
    3 解决建议通过分析了解了既有C70型敞车枕梁下盖板中产生母材裂纹的原因，针对分析结果提出新造车改进方案和既有车解决方案。
    3.1 新造车改进方案3.1.1 增加隔板组成（枕梁处）与中梁组焊完成后，中梁下平面与隔板组成（枕梁处）下平面在组装枕梁下盖板组成（中）区域内的平面度要求，其平面度应不大于1mm。
    3.1.2 进一步明确必须严格执行技术要求：枕梁下盖板组成（中）与中梁接触表面的拼接焊缝应平整，如有凸出时须磨平。
    3.1.3 参照C64型敞车调整枕梁下盖板组成（中）与中梁下翼缘间焊缝形式，既枕梁下盖板组成（中）与中梁下翼缘间焊缝被枕梁下盖板遮盖的部分不焊。
    3.1.4 明确组装顺序，组装时应先进行上心盘铆接，然后再进行枕梁下盖板组成（中）与中梁的焊接。上心盘铆接时应先铆内侧4 颗铆钉，后铆外侧4颗铆钉。
    3.2 既有车解决方案既有车中只有在枕梁下盖板中与中梁下翼缘下平面间组装间隙超差的情况下才有产生裂纹的可能，从产生裂纹车辆数量分析，间隙超差车辆较少，同时，随着车辆运用时间的延长，产生裂纹成因之一的残余应力会因时效性而逐渐减小，因此，建议只对产生裂纹的既有车按下述焊修方案修理。
    3.2.1 焊前清理（1）清理部位：枕梁下盖板裂纹处。（2）清理标准：清除裂纹处及周围20毫米内的油漆及氧化物，露出金属光泽。（3）裂纹清除方法：首先在裂纹两端钻10mm止裂孔，然后用角向磨光机将裂纹清除掉，修磨后的坡口须透过枕梁下盖板组成（中）露出中梁下翼缘。（4）探伤确认：用磁粉探伤法确认裂纹已清除干净。
    3.2.2 焊接（1）焊接材料：J556NiCrCu、3.2， 4.0，焊前须经350～400烘干1～2小时。（2）焊接电源：采用直流电源或空载电压高的交流电源。（3）焊接规范：3.2电流100～110A， 4.0电流150～160A。（4）焊接层数：3-4层。（5）焊接道数：多层多道焊，数量由焊工决定。（6）焊工资质：高级焊工。
    3.2.3 焊接操作要求（1） 第一层焊缝应将枕梁下盖板组成（中）与中梁下翼缘在坡口底部焊接在一起。（2）焊接及调试规范时应将车体与转向架分离或可靠绝缘。（3）层间清理要干净，防止产生夹渣。
    3.2.4 焊缝质量要求焊缝不允许存在裂纹，夹渣，气孔，咬边，弧坑等缺陷。
    3.2.5 焊后处理（1）焊后用角磨机将焊缝余高及周围飞溅物去除。（2）焊后用磁粉探伤法确认焊补处无裂纹存在。（3）焊补处应补涂油漆。