車輛鑄鋼件疲勞壽命預測方法對比分析

耿 平，段元勇，兆文忠

(1.濟南軌道交通裝備有限責任公司 研究院，山東 濟南 250022 2.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)＊

0 引言

隨著鐵路重載和高速的發展，車輛鑄鋼件的疲勞破壞問題引起了廣泛關注，其成因較為復雜，已成為影響車輛發展的重要因素.為確保行車安全，對車輛鑄鋼件的使用期限提出了更高的要求，在產品設計階段就對車輛鑄鋼件的疲勞壽命進行準確預測，是當前鐵路發展的迫切需求.

目前，應用比較廣泛的車輛鑄鋼件疲勞壽命評估體系有:北美鐵路協會機務AAR標準，以及德國機械工程研究委員會FKM標準.本文將兩種方法從本質上做了對比研究，并以某B級鑄鋼側架為例將兩種方法的計算進行了對比，對疲勞壽命的準確預測具有重要意義.

1 AAR標準的疲勞強度分析方法

AAR標準對鑄鋼件的疲勞評定采用名義應力法，以S-N曲線或Goodman曲線為依據，對分析需要的疲勞應力譜，根據線性累積損傷法則進行疲勞強度的分析.疲勞分析運算的流程為［1］:

a.運用雨流計數法獲得應力-時間歷程的雨流循環，獲得分析所需要的疲勞應力譜;

b.考慮缺口形狀效應，零件表面粗糙度等疲勞強度的影響因素，選擇適當的S-N曲線;

c.確定應力譜的哪一部分應力幅值超過疲勞損傷極限;

2 FKM標準的疲勞強度分析方法

FKM標準是根據機械產品在實際工程中的應用情況，統計出來的關于極限強度和疲勞強度的使用規則.其進行疲勞壽命分析的流程為［4］:

a.確定載荷譜下的名義應力;

b.根據圖1，輸入相應的材料參數進行通用鑄鋼件的S-N曲線修正;

圖1 S-N曲線的修正過程

c.在給定期望壽命的條件下，評價X、Y、Z三個方向的每個主應力分量的利用度aBK:

式中:aBK為利用度;Sa為應力幅;σBH為構件使用強度;jges為總體安全系數.

d.將每個分量的利用度合成得到總利用度aBK_v，若單個利用度和總利用度均≤1，則構件能達到期望壽命.

3 AAR和FKM方法對比研究

AAR標準和FKM標準對鑄鋼件的疲勞壽命評定均采用疲勞極限法，AAR標準采用一定缺陷系數Kf試驗條件下的S-N曲線，對已知S-N曲線的構件可以方便快速的進行疲勞壽命預測，這個方法的優點是簡單明了，具有針對性;FKM標準采用經驗公式修正的S-N曲線，可以對未知S-N曲線的構件進行疲勞壽命預測，這個方法的優點是具有通用性，但是在選擇合適的參數時比較復雜.

在疲勞壽命的預測過程中，AAR標準采用Miner累積損傷值作為評價指標，FKM標準使用利用度作為評價指標，為了使兩者具有可比性，將利用度與累積損傷值的關系進行如下轉化:

FKM標準通用S-N曲線(圖2)的左段:

式中:σAK為N次循環次數下的疲勞強度極限;N為S-N曲線拐點處的循環次數;m為S-N曲線指數(圖2中，m=5).

圖2 FKM標準通用鑄鋼件的S-N曲線(Ⅰ)

4 應用案例的結果對比

本文以三大件式轉向架中的某B級鑄鋼側架為例，分別采用AAR標準和FKM標準進行疲勞壽命預測，并將兩個標準下的計算進行對比.

4.1 S-N 曲線

4.1.1 基于AAR標準的S-N曲線

AAR研究報告R-387“關于制定疲勞設計使用的缺陷—品質判據的AAR指南說明”，缺陷系數Kf=1.5下B級鑄鋼的S-N曲線見圖3，圖4.

圖3 B級鑄鋼件對稱循環的S-N曲線

圖4 B級鑄鋼件零拉和零壓脈動循環的S-N曲線

4.1.2 基于FKM標準的S-N曲線

FKM標準中鑄鋼件的通用S-N曲線如圖2所示，對于本文中的 B級鑄鋼(抗拉強度為485MPa，最小屈服強度為260 MPa)的具體S-N曲線需按圖1進行修正.在修正過程中，缺陷系數Kf為1.5;表面粗糙度系數KR，σ根據其與表面粗糙度、抗拉強度的關系選取;平均應力系數KAK，σ根據其與應力比，平均應力靈敏度，平均應力，應力幅的關系選取.

4.2 疲勞載荷加載及考核標準

疲勞載荷的加載依據AAR機務標準M-203-05“鑄鋼轉向架側架設計和試驗規范”中規定的試驗循環次數，疲勞載荷與考核標準如表1所示.

表1 疲勞載荷工況與考核標準

4.3 計算模型

采用高精度十節點四面體單元(Tet10)對側架結構進行離散，共計708788個單元，1169267個結點.側架的有限元離散模型圖如圖5所示［5］.

圖5 側架結構離散網格模型

4.4 疲勞壽命預測結果對比

4.4.1 AAR標準的疲勞壽命預測

基于最大﹑最小主應力或等效應力準則進行薄弱部位的疲勞壽命預測，結果見表2.

由表2可見，各載荷工況下側架的疲勞累積損傷均小于1，能通過31.25萬次的疲勞試驗.

表2 疲勞試驗載荷下大應力點疲勞損傷計算結果

表3 疲勞試驗載荷下危險點利用度計算結果

4.4.2 FKM標準的疲勞壽命預測

FKM標準的疲勞壽命預測需要鑄鋼側架的具體點位置.采用可視化的運算法則，施加準靜態載荷得到側架的最大利用區域，并通過實際運用中疲勞裂紋的調研，經過對比分析確定側架的缺陷分析部位.在此，選取導框內彎角處(節點:95443)和枕簧承臺彎角處(節點:97643)2個危險點進行分析.分析結果見表3.

由表3可見，各載荷工況下側架危險點的利用度和總利用度均小于1，能通過31.25萬次的疲勞試驗.

4.4.3 結果對比分析

以側架的危險節點95443和97643為例，據本文中累積損傷與總利用度的關系，基于AAR和FKM標準的累積損傷結果對比如表4所示.

表4 危險節點的累積損傷對比計算結果

由表4可見，AAR標準和FKM標準分別計算的疲勞累積損傷基本一致.

5 結論

AAR標準和FKM標準疲勞壽命預測的方法本質是一樣的，計算結果是趨于一致的，但是，輸入條件是不同的，因此，為了確保預測的可靠性，建議兩種方法要同時使用，一旦兩種方法的結果趨于一致，預測的壽命是可信的.

［1］美國鐵路標準.AAR機務標準手冊［M］.美國:北美鐵路協會，1999.

［2］程海濤，于文濤，劉宏友.國內外貨車轉向架主要標準對比分析［J］.鐵道車輛，2004(5):11-15.

［3］趙少汴，王忠保.抗疲勞設計［M］.北京:機械工業出版社，1997.

［4］ERWIN HAIBACH.Analytical Strength Assessment of Components in Mechanical Engineering［M］.5th ed，［s.l.］:FKM-Guideline，2003.

［5］濟南軌道交通裝備有限責任公司.JJZ23轉向架側架靜強度、剛度、疲勞強度有限元分析報告［R］.濟南:濟南軌道交通裝備有限責任公司，2011.