基于實(shí)測(cè)載荷譜的側(cè)架壽命分析*

韓朝霞，孫守光，趙方偉

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044)

基于實(shí)測(cè)載荷譜的側(cè)架壽命分析*

韓朝霞，孫守光，趙方偉

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044)

隨著鐵路提速重載的發(fā)展，鐵路貨車轉(zhuǎn)向架零部件的疲勞裂損率增加。本文通過(guò)我國(guó)幾條典型線路實(shí)測(cè)，得到我國(guó)鐵路貨車的實(shí)測(cè)載荷譜。利用有限元仿真得到載荷—應(yīng)力的轉(zhuǎn)化系數(shù)，由實(shí)測(cè)載荷譜得到應(yīng)力譜，基于該應(yīng)力譜計(jì)算轉(zhuǎn)向架側(cè)架的疲勞壽命，并和AAR載荷譜的疲勞壽命對(duì)比分析，驗(yàn)證實(shí)測(cè)載荷譜的可用性。

側(cè)架;實(shí)測(cè)載荷譜;疲勞壽命;循環(huán)特征

在隨機(jī)載荷作用下，大部分工程結(jié)構(gòu)的失效是由疲勞破壞造成的。因此，人們對(duì)工程結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題的研究工作越來(lái)越重視。隨著鐵路貨車運(yùn)行速度以及載重的逐步提高，作為車輛轉(zhuǎn)向架的側(cè)架［1］疲勞裂紋［2］的失效問(wèn)題顯得日益突出，因此，對(duì)貨車側(cè)架的疲勞問(wèn)題進(jìn)行研究意義重大。

作為轉(zhuǎn)向架的重要組成部分，運(yùn)用中的側(cè)架承受拉、壓、沖擊、彎曲等多種交變載荷的作用。目前，只有AAR的載荷譜［3］能夠給我們提供一些數(shù)據(jù)及模型的參考。但是，由于我國(guó)地域廣闊，地理形勢(shì)復(fù)雜，修建的鐵路遠(yuǎn)遠(yuǎn)比美國(guó)AAR標(biāo)準(zhǔn)建立時(shí)的試驗(yàn)條件復(fù)雜，因此若直接將AAR的載荷譜應(yīng)用于我國(guó)鐵路的貨車設(shè)計(jì)、制造及壽命評(píng)估，不能滿足我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展需求。因此，我們迫切需要建立符合我國(guó)大鐵路實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況的載荷譜。本文就是在運(yùn)營(yíng)線路上進(jìn)行側(cè)架動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試，結(jié)合有限元分析［4］的數(shù)據(jù)，編制出符合我國(guó)鐵路工況的載荷譜，并基于該載荷譜估算側(cè)架壽命，驗(yàn)證了實(shí)測(cè)載荷譜的可用性，具有重要的意義。

1 有限元分析

(1)有限元模型的建立

利用三維軟件Solidworks對(duì)側(cè)架進(jìn)行實(shí)體建模后，再導(dǎo)入有限元分析軟件Hypermesh選用Solid45單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。劃分單元后結(jié)構(gòu)離散網(wǎng)格模型見(jiàn)圖1，然后導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

(2)約束設(shè)置及加載情況

基于AAR標(biāo)準(zhǔn)的側(cè)架載荷譜是通過(guò)取搖枕浮沉總載荷之半近似作為側(cè)架垂向載荷，由載重90.7 t敞車的重空車搖枕浮沉總載荷線路環(huán)境事件百分率譜換算

出相應(yīng)的側(cè)架垂向載荷譜。

圖1 側(cè)架離散網(wǎng)格模型

因此有限元分析計(jì)算時(shí)，分兩種情況計(jì)算。一種是在側(cè)架軸箱彈簧支撐處施加垂向彈性約束﹑導(dǎo)框處施加橫向彈性約束，在彈簧承臺(tái)處施加垂向載荷，載荷大小依據(jù)AAR機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)M－203－05《鑄鋼轉(zhuǎn)向架側(cè)架設(shè)計(jì)和技術(shù)規(guī)范》取為349.9 kN。另一種是在彈簧承臺(tái)處施加三向彈性約束，在側(cè)架軸箱彈簧支撐處施加垂向載荷，載荷大小依據(jù)AAR機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)M－203－05取為349.9 kN。

(3)有限元分析計(jì)算結(jié)果

兩種約束載荷施加后，結(jié)果相近。側(cè)架在垂直載荷工況下的應(yīng)力分布如圖2所示。列出各點(diǎn)的應(yīng)力值如表1所示。比較各關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力大小，并結(jié)合參考文獻(xiàn)［1］選取最大應(yīng)力位置的載荷—應(yīng)力轉(zhuǎn)化系數(shù)0.315。

2 載荷譜與應(yīng)力譜轉(zhuǎn)換

(1)動(dòng)載荷測(cè)試與載荷譜編制

在轉(zhuǎn)K6轉(zhuǎn)向架處安裝專門定制的承載鞍傳感器。選用德國(guó)數(shù)字采集系統(tǒng)IMC SL寬溫系列測(cè)試儀器，在北京到廣州，北京到成都，北京到哈爾濱3條線路上分別往返3次進(jìn)行全程連續(xù)測(cè)試，各條線路測(cè)試?yán)锍桃?jiàn)表2。

圖2 側(cè)架在垂向載荷作用下應(yīng)力云圖

表1 損傷量最大的4個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

表2 各線路測(cè)試?yán)锍?/p>

各條線路的測(cè)試?yán)锍潭歼_(dá)到AAR標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試?yán)锍桃?。試?yàn)時(shí)最高運(yùn)行速度為80 km/h，牽引噸位為5 000 t，數(shù)據(jù)采集時(shí)采樣頻率為500 Hz。采用雨流計(jì)數(shù)法［5］對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后得到側(cè)架的載荷—時(shí)間歷程，并編制載荷譜。

(2)側(cè)架應(yīng)力譜編制

試驗(yàn)測(cè)取同一個(gè)轉(zhuǎn)向架的4個(gè)承載鞍。4個(gè)承載鞍的載荷在時(shí)間歷程上若直接相加，則從載荷—時(shí)間歷程上可以看出轉(zhuǎn)向架一側(cè)的承載鞍最大值的位置剛好同另一側(cè)承載鞍最小值的位置同步，因此若取4個(gè)承載鞍載荷加和的一半作為側(cè)架的載荷，則側(cè)架載荷被拉低，計(jì)算出的壽命不準(zhǔn)確，此獲取側(cè)架載荷的方法是不可取的。對(duì)同一側(cè)架兩端的承載鞍分別編制載荷譜，得出兩者除了在載荷—時(shí)間歷程上稍有不同之外，在載荷譜的統(tǒng)計(jì)分析方面一樣，因此可以取單個(gè)承載鞍載荷的兩倍作為側(cè)架載荷，并進(jìn)行處理得到側(cè)架載荷譜。上文已計(jì)算出載荷—應(yīng)力傳遞系數(shù)，按照準(zhǔn)靜態(tài)法將各損傷最大點(diǎn)的載荷譜轉(zhuǎn)化為應(yīng)力譜。

(3)AAR載荷譜編制

取搖枕總載荷之半近似作為側(cè)架垂向載荷，由載重90.7 t敞車的重車搖枕浮沉總載荷線路環(huán)境事件百分率譜換算出相應(yīng)的側(cè)架垂向載荷譜。換算系數(shù)根據(jù)(試驗(yàn)車載重+自重)/(90.7 t敞車載重+自重)計(jì)算得0.76。按載荷與應(yīng)力成線性關(guān)系由側(cè)架載荷譜換算出側(cè)架在垂向載荷譜作用下的應(yīng)力譜。

3 基于載荷譜的側(cè)架壽命估算

(1)對(duì)數(shù)S－N曲線斜率的確定

根據(jù)AAR設(shè)計(jì)基準(zhǔn)推薦的S－N曲線如圖3所示。經(jīng)驗(yàn)表明，在大多數(shù)情況下，鑄件疲勞裂紋始發(fā)于有明顯鑄造缺陷或局部應(yīng)力集中的區(qū)域。對(duì)導(dǎo)致疲勞裂紋發(fā)生的鑄造缺陷按3類進(jìn)行分析:小缺陷(球狀)，較少見(jiàn)，kf為疲勞降低系數(shù)，kf=1.25;大缺陷(裂紋狀)，罕見(jiàn)，kf=2～3;中等缺陷(夾渣、疏松、縮孔)，最常見(jiàn)，kf= 1.5～2。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，鑄件中kf=1.5～2的中等缺陷有很高的出現(xiàn)概率。因此，kf=1.5～2的中等缺陷代表鑄件的正常質(zhì)量［6］。北美鐵路協(xié)會(huì)AAR的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，鑄造缺陷是搖枕在運(yùn)用中發(fā)生疲勞裂紋的主要原因。

圖3 B級(jí)鋼S－N曲線

考慮疲勞降低系數(shù)kf=1.5，2，2.5，3時(shí)的側(cè)架壽命。已知kf=1時(shí)的側(cè)架B級(jí)鋼S－N曲線，對(duì)其取雙對(duì)數(shù)，則雙對(duì)數(shù)S－N曲線的絕對(duì)斜率為:，計(jì)算得到k=0.12，即k1=0.12，k2=k1/2;其中k1、k2為理想S－N曲線的絕對(duì)斜率，見(jiàn)圖4。

圖4 理想S－N曲線

圖中Ni為第i個(gè)應(yīng)力級(jí)下出現(xiàn)損壞的循環(huán)數(shù);Si為按Ni次循環(huán)損壞計(jì)算的疲勞極限;Se為疲勞極限內(nèi)出現(xiàn)損壞的應(yīng)力;Ne為Se應(yīng)力級(jí)下出現(xiàn)損壞的循環(huán)數(shù)。

(2)Goodman圖的參數(shù)確定(圖5)

圖5 Goodman圖

R為最小/最大應(yīng)力比值。Smax為最大應(yīng)力。Smin為最小應(yīng)力。

由R=－1時(shí)的S－N曲線以及強(qiáng)度極限σb=483 MPa即可得到Goodman圖的截距b和斜率m，列于表3中。

表3 Goodman圖的截距和斜率

(3)按累積損傷理論進(jìn)行疲勞壽命估算

用上文計(jì)算出的m，b，k值，結(jié)合S－N曲線以及應(yīng)力譜計(jì)算側(cè)架的疲勞壽命。其中，

式中k為S－N曲線斜率的絕對(duì)值，Sr是應(yīng)力范圍，αi為作用給第i應(yīng)力級(jí)占總循環(huán)數(shù)的百分?jǐn)?shù)，R為循環(huán)特征Smin/Smax，β是每公里譜循環(huán)數(shù)，各測(cè)試線路的每公里譜循環(huán)數(shù)見(jiàn)表4。

表4 測(cè)試線路每公里譜循環(huán)數(shù)

(4)計(jì)算結(jié)果及分析

空車運(yùn)行對(duì)側(cè)架產(chǎn)生的損傷極小，可以忽略不計(jì)。重車運(yùn)行情況決定著側(cè)架的疲勞壽命。因此，本文選擇重車運(yùn)用條件下的AAR載荷譜和線路實(shí)測(cè)載荷譜。

在AAR載荷譜和實(shí)測(cè)載荷譜作用下，假設(shè)以AAR載荷譜計(jì)算的壽命為基準(zhǔn)，此處設(shè)為1，則側(cè)架在實(shí)測(cè)載荷譜作用下的相對(duì)疲勞壽命為實(shí)測(cè)壽命除以AAR載荷譜壽命。側(cè)架在AAR載荷譜以及實(shí)測(cè)載荷譜作用下的疲勞壽命見(jiàn)圖6。

圖6 側(cè)架在不同載荷譜下的疲勞壽命

從圖6中可以看出kf在1.5～2.0之間時(shí)，該系數(shù)對(duì)側(cè)架壽命的影響較大。出現(xiàn)這種狀況的原因是kf較小變化能引起應(yīng)力較小變化，但是，應(yīng)力與壽命之間不是線性關(guān)系，而是對(duì)數(shù)值的線性關(guān)系。因而kf較大時(shí)，應(yīng)力變化較大，引起壽命的劇烈變化?；蛘呖梢哉f(shuō)當(dāng)疲勞缺口系數(shù)達(dá)到一定程度時(shí)，載荷對(duì)壽命的影響也變的不明顯，此時(shí)側(cè)架的壽命主要表現(xiàn)為疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。

由圖6結(jié)果分析可知，不同線路計(jì)算結(jié)果隨著疲勞降低系數(shù)的總趨勢(shì)相同。但在同等疲勞降低系數(shù)下的AAR載荷譜計(jì)算的壽命要比實(shí)測(cè)載荷譜計(jì)算的壽命低。分析兩者試驗(yàn)條件，可知AAR載荷譜的測(cè)試速度為39.7 km/h，而本次國(guó)內(nèi)大鐵路的試驗(yàn)速度最高達(dá)到80 km/h。速度對(duì)轉(zhuǎn)向架零部件的疲勞壽命有很大影響。速度越高，側(cè)架疲勞損傷越大，壽命越短。分析其原因，首先比較不同線路以及AAR載荷譜的循環(huán)特征所占百分比，如圖7所示。從圖中可知，AAR載荷譜試驗(yàn)的循環(huán)特征大部分集中在0.93～1之間，我國(guó)實(shí)測(cè)線路的循環(huán)特征集中在0.81～0.92之間。根據(jù)影響循環(huán)特征的因素分析可知，同樣的材料，當(dāng)循環(huán)特征不同時(shí)，疲勞曲線不同。低周疲勞區(qū)，循環(huán)特征越大，同樣的應(yīng)力下的壽命越大。高周疲勞區(qū)，循環(huán)特征越大，同等壽命下的應(yīng)力越大。

其次，載荷譜的測(cè)試方法也不一樣，實(shí)測(cè)載荷譜的動(dòng)應(yīng)力直接從輪對(duì)經(jīng)過(guò)一系懸掛在承載鞍處測(cè)得，AAR載荷譜的動(dòng)應(yīng)力是從輪對(duì)經(jīng)過(guò)一系懸掛和二系懸掛在搖枕處獲得，因此兩者具有明顯的差別。實(shí)測(cè)載荷譜計(jì)算出的壽命更貼近以后實(shí)際運(yùn)營(yíng)中側(cè)架的疲勞壽命。

國(guó)內(nèi)大鐵路上不同線路的疲勞壽命差別明顯，見(jiàn)圖8。

圖7 循環(huán)特征對(duì)比圖

圖8 各測(cè)試線路壽命

從圖8中可以看出，北京—成都的線路測(cè)試出來(lái)的側(cè)架壽命最短，北京到哈爾濱的側(cè)架壽命次之，北京—廣州的側(cè)架壽命最長(zhǎng)。分析3條線路可知，由于地理因素的差異，北京—成都的線路工況最差。該條線路上修建有最多的曲線和道岔。

由于試驗(yàn)條件的限制，本文忽略了側(cè)架承受的橫向載荷以及交叉桿載荷的作用。要想得到更精確的載荷譜，需要對(duì)側(cè)架的橫向載荷以及交叉桿載荷補(bǔ)充試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

(1)不同因素對(duì)轉(zhuǎn)向架側(cè)架的壽命均有重要影響，包括疲勞降低系數(shù)，貨車運(yùn)行速度，線路工況等。

(2)在疲勞降低系數(shù)為1.5～2時(shí)，轉(zhuǎn)向架側(cè)架壽命較高，隨著疲勞降低系數(shù)的增大，對(duì)壽命的影響明顯。

(3)運(yùn)行速度越快，動(dòng)應(yīng)力越明顯，循環(huán)特征越小，應(yīng)力越大，疲勞壽命越小。

(4)曲線、道岔越多，對(duì)動(dòng)應(yīng)力影響越大，側(cè)架壽命越短。

需結(jié)合我國(guó)鐵路線路工況、載重、速度以及生產(chǎn)側(cè)架水平實(shí)際情況來(lái)編制載荷譜，為將來(lái)提速重載的穩(wěn)定發(fā)展做好準(zhǔn)備。

［1］ 丁 敏，吳作偉，王淑青，陳政南.貨車側(cè)架疲勞裂紋檢修數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析［J］.電力機(jī)車技術(shù)，2002，25(3):42-44.

［2］ 高鎮(zhèn)同.疲勞應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1986.

［3］ 劉德剛，侯衛(wèi)星，王鳳洲，等.基于有限元技術(shù)的構(gòu)件疲勞壽命計(jì)算［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2004，26(2):47-51.

［4］ 周 俊，童小燕.雨流計(jì)數(shù)的快速實(shí)現(xiàn)方法［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8(13):3545-3547，3558.

［5］ 劉志明.隨機(jī)載荷下焊接構(gòu)架疲勞壽命及可靠性研究［D］.北京:北方交通大學(xué)，2001.

Study of Side Frame Fatigue Life Based on Measured Load Spectrum

HAN Zhaoxia，SUN Shouguang，ZHAO Fangwei
(School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

The rate of fatigue crack on the side frame of freight vehicles is increasing with the acceleration and overloading of railway.This paper obtained measured load spectrum of freight vehicles on national railway through the experiment on several typical railways.The stress spectrum is then calculated with the load-stress transforming factors by FEM analysis.The comparison between fatigue life which is calculated by measured load spectrum and AAR load spectrum shows the reliability of measured load spectrum.

side frame;measured load spectrum;fatigue life;cycling characteristics

U272

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.03

1008－7842(2015)01－0015－04

*鐵道科技發(fā)展基金項(xiàng)目(2011J014－A)

0—)女，碩士研究生(

2014－07－20)