基于疲勞應力法的車輛雙圈螺旋鋼彈簧優化設計

陳長健

(南車南京浦鎮車輛有限公司 轉向架車間,江蘇南京210031)

螺旋壓縮鋼彈簧在機車車輛一、二系懸掛系統中得到了廣泛地應用,其對減少和隔離構架與車體之間的振動,保證車輛的運行平穩性和安全性,起著重要作用。然而,由于彈簧的設計參數較多,傳統的計算方法非常繁瑣復雜,需要反復修正。為此,提出了基于彈簧材料疲勞應力的設計方法,以某型轉向架一系懸掛系統用雙圈螺旋彈簧為例,優化設計該彈簧組結構參數,并通過試驗驗證了其疲勞強度。

1 數學模型

1.1 彈簧的許用疲勞應力

彈簧的許用疲勞應力取決于彈簧材料的機械性能、彈簧材料直徑、表面加工狀態、基礎工作應力和應力幅值等因素[1]。圖1所示為DIN EN13906-1標準所規定的熱卷彈簧疲勞強度Goodman曲線圖,彈簧的許用疲勞應力隨著直徑的增大逐漸降低,橫坐標代表彈簧所承受的最小剪應力τmin,縱坐標代表最大剪應力τmax,動態應力幅值τdy=τmax-τmin,應不大于圖中對應的許用疲勞應力極限值[2,3]。

1.2 優化目標

根據彈簧的許用疲勞應力與彈簧材料直徑成反比的關系,簧徑較小的內彈簧其許用疲勞應力要高于簧徑較大的外彈簧,本文研究是將內、外彈簧的最大疲勞應力小于許用疲勞應力作為雙圈彈簧組結構參數優化的目標函數。

圖1 熱卷螺旋壓縮彈簧Goodman疲勞強度極限曲線

1.3 設計變量

選擇彈簧組外圈彈簧簧條直徑d0、彈簧中徑D0和彈簧工作圈數n0和內圈彈簧的di、Di、ni為設計變量,即:

1.4 約束函數

取雙圈彈簧的性能一致性條件,即內外圈彈簧旋撓比數、撓度均相等,空間尺寸及全壓縮高度等為約束函數[4],建立雙圈螺旋彈簧的優化設計模型。

(1)彈簧旋撓比

(2)穩定性約束

式中H0為彈簧自由高度。

(3)彈簧全壓縮高度

(4)彈簧剛度

為了保證彈簧組剛度滿足目標設計值,要求其實際剛度值Kv和設計剛度Kv0的相對誤差小于某一個值ΔKv,即

(5)彈簧工作應力

內外彈簧在工作載荷作用下均應滿足

式中α為彈簧動荷系數,取0.25;

F為彈簧承受的平均載荷;

C為應力修正系數,

[σ]為彈簧許用工作應力;

并且,|T0-Ti|＜ΔT0

(6)彈簧徑向間隙

為保證內、外圈彈簧的工作空間,即使在惡劣工況下也不會發生尺寸干涉,應滿足:

2 對比設計計算

某型轉向架的車體總重分布如表1所示。

表1 車體總重分布 t

根據傳統的彈簧設計計算方法,要求一系內、外圈彈簧的旋撓比m、應力T以及撓度f相當,于是得到表2所示的彈簧組結構參數及特性。

表2 傳統彈簧設計方法

然而,在車輛運營過程中,曾經發生過一系外彈簧疲勞斷裂事故,斷裂部位發生在3/4支撐圈處(見圖2),經斷口理化檢驗分析:

(1)斷簧所對應的車輪不圓,多處存在凹坑或擦傷,在車輛運行過程中,引起較大的沖擊振動載荷;

(2)從彈簧斷口形貌判斷,該外彈簧的斷裂屬于疲勞斷裂,支撐圈端部碾尖擊打彈簧外表面造成損傷,裂紋在該處萌生并擴展;

(3)經理論核算,外圈彈簧的工作應力不滿足200萬次彈簧Goodman疲勞極限圖,而內圈彈簧滿足要求。

圖2 一系外彈簧斷裂

圖3是按照本文提出的彈簧優化設計方法的軟件運行界面,計算結果如表3所示。

從以上兩種不同的彈簧設計方法可以看出:

(1)采用傳統的彈簧設計計算方法,外圈彈簧的工作應力往往大于內圈彈簧的工作應力,且二者全壓縮高度也有較大差別,不利用彈簧組整體承載;

(2)采用基于疲勞應力法的設計計算方法,能使外圈彈簧的工作應力小于內圈彈簧的工作應力,且最大工作應力均小于其許用疲勞應力,滿足Goodman疲勞極限圖;

(3)后者充分發揮了簧徑的彈簧強度儲備,提高了雙圈彈簧的使用壽命,保證了系統的可靠性。

圖3 雙圈螺旋彈簧優化設計軟件

表3 許用疲勞應力優化設計方法

3 試驗驗證

按照許用疲勞應力法設計的參數制作了3組一系彈簧,并委托對3組彈簧試樣進行了疲勞強度試驗。

彈簧疲勞試驗使用FTS 1000A疲勞試驗機,3組彈簧試樣同時進行疲勞試驗,采用載荷控制方式,試驗加載頻率為3 Hz。

疲勞試驗進行202萬次后,進行磁粉探傷檢查,未見任何裂紋[5]。

4 結論

(1)基于疲勞應力法的雙圈螺旋彈簧優化設計充分反映了圓柱螺旋彈簧的材料直徑與彈簧許用應力成反比的關系;

(2)內外圈彈簧的工作應力與彈簧的許用應力相匹配,保證了彈簧的最大工作應力小于彈簧的許用應力,符合Goodman疲勞強度極限曲線的包絡要求;

(3)通過疲勞試驗,驗證了彈簧的疲勞安全裕量滿足相關標準和技術規范要求,并裝車應用;

(4)建立的彈簧優化設計計算模型簡單快捷,可直接用于工程技術人員進行彈簧的優化設計。

[1] 米彩盈,張開林.套組壓縮彈簧優化設計[J].機車電傳動,1998,(2):12-13.

[2] DIN EN 13906-1,Cylindrical helical springs made from round wire and bar-Calculation and design-Part 1:Compression springs[s].2002.

[3] 伍玉剛,李冠軍.轉向架懸掛系統螺旋壓縮彈簧鋼彈簧關鍵參數設計探討[J].電力機車與城軌車輛,2007,(5):10-13.

[4] 商躍進.雙圈螺旋彈簧模糊可靠性優化設計[J].蘭州鐵道學院學報(自然科學版),2001,20(6):76-78.

[5] 李強.轉向架軸箱彈簧疲勞強度試驗報告[R].北京:北京交通大學結構強度檢測實驗室,2009.