高速重載列車鉤舌疲勞可靠性研究

杜彪 張恒

摘 要：基于ANSYS有限元軟件，本文對鉤舌進行模塊化應力分析，通過內部的求解系統得到拉應力時，最大應力為鉤舌內腕面處。采用GPL-200材料疲勞試驗系統，分別試驗分析得出國產和美國鉤舌材料的疲勞壽命特征，國產材料的疲勞壽命不及美國材料的疲勞性能，但離散度小。采用Monte-Carlo方法產生隨機載荷譜，對國產鉤舌與美國鉤舌進行壽命預測。

關鍵詞：鉤舌；疲勞可靠性；高速重載

1 前言

鉤舌是鐵路車輛縱向力傳遞最重要的部件之一，對列車的安全編組、運行有直接的影響，所以，車鉤疲勞強度一直是鐵路運輸部門最基本的要求。近年來，鐵路貨車運輸業不斷向高速、重載方向發展，車列的縱向沖擊明顯增強，對鉤舌的疲勞強度性能提出了越來越高的要求，鉤舌的承載能力直接制約了鐵路運力，因此提高鉤舌的疲勞可靠性是現代鐵路運輸業亟待解決的重要問題之一[1]。

大秦運煤專用車裝配的車鉤有國產和美國生產的，兩種材質均為E級鋼[2]。根據檢修數據對比，在相同的運行條件下鉤舌鉤腕面處出現裂紋報廢，國產車鉤的報廢率約為90%時，美國車鉤的報廢率約為10%。由此可見，估算其疲勞壽命并分析其疲勞特性對鉤舌的制造和使用具有實際的指導意義。

2 鉤舌有限元分析

在鉤舌的極限載荷下進行應力仿真分析，計算結果如圖1所示：鉤舌內腕面處的應力最大，與運用條件下裂紋多在內腕面處相符合[3]；牽引臺部位應力較大且易于出現應力集中，這與運用條件下裂紋也會在牽引臺處發展相符合；由于牽引臺部位發生應力集中的面積相對于鉤舌內腕面處較小，運用中在不斷磨合的作用下護銷突緣也承受部分拉力，牽引臺部位應力降低，本文以鉤舌內腕面的應力分析為主。

3 試驗

3.1 試驗材料

本文對鉤舌材料進行了拉伸載荷下的疲勞壽命試驗，采用GPL-200材料疲勞試驗系統。本試驗主要測量材料的拉壓疲勞極限。拉壓載荷加載方式：正弦曲線；加載頻率：160.5Hz；循環應力比為r=-1；試驗環境：溫度在15～25℃之間，無潮濕、腐蝕性空氣的環境；加載時，使試樣受力對稱分布，同軸度良好；靜態平均值與動態幅值的允許誤差須低于±1%和±3%。試件尺寸如圖2所示。

3.2 試驗結果分析

采用單點法試驗數據得出國產鉤舌材料的p-S-N曲線斜線方程，擬合出p=50%的p-S-N曲線斜線方程以及p=90%的曲線斜線方程，然后修正與檢驗。由最小二乘法根據單點法試驗數據擬合出p-S-N曲線斜線方程。最小二乘法是

，使取得最小值的，計為，式中是樣本值。點的循環次數的對數對應的正態分布的概率密度值為：

國產鉤舌材料的直線方程推導如圖3所示：在高周疲勞的情況下，隨著可靠度的提升，疲勞壽命相差不是很大，超高周疲勞中疲勞時壽命相差較大，這與超高周疲勞的離散性比較大相符合，50%可靠度的疲勞極限比90%可靠度的疲勞極限減少10%左右。

為了研究拉噸對材料的影響，分別對國產材料拉噸前后進行了拉伸試驗，發現拉噸后材料的疲勞性能下降30%左右，而且拉噸后隨著疲勞可靠性的提高，疲勞壽命降低更快。在高周疲勞時，拉噸前后疲勞壽命隨著可靠度升高，變化不是很大，而在高周疲勞時則較大，如圖4所示。

為了研究美國與國產材料的差別，分別對兩種材料拉噸進行了拉伸試驗，發現美國的鉤舌材料疲勞壽命比國產的高20%左右，美國的材料隨著可靠度的提高變化比較大，而國產材料相對變化較少；在超高周疲勞時，隨著可靠度的提高，美國材料與國產材料變化均較大，如圖5所示。

4 疲勞壽命預測

Ni為對數正態分布，因此考慮用Monte-Carlo[4]方法求解該式。

對數疲勞壽命服從正態分布～，可靠度p=90%和p=10%的兩條直線方程為：

又由對數疲勞壽命服從正態分布，得：

由式1、2解得：

利用Monte-Carlo方法生成隨機載荷譜，用正態分布、對數分布擬合疲勞壽命，而載荷譜下的壽命次數為10lgNi。

根據上述方法，編制計算程序錄入載荷譜，采用Monte-Carlo方法計算疲勞可靠性壽命。本研究過程進行2000次模擬計算，并完成隨機壽命統計，得出的壽命千米數如圖6、7所示：國產鉤舌的疲勞壽命低于美國鉤舌；另外由于國產鉤舌的疲勞強度分散性小，壽命分散性也較小。

5 結論

本文對國產和美國兩種材料的鉤舌進行了仿真與試驗分析，通過分析得出以下結論：

（1）鉤舌被破壞時主要受拉應力作用，最大拉應力出現在鉤舌內腕面處。

（2）對國產和美國兩種材料進行了試驗，美國材料的疲勞性能優于國產材料，但是其離散性較大，隨著可靠度的增加變化較大。

（3）使用Monte-Carlo方法產生隨機載荷譜，預測鉤舌的疲勞壽命，美國鉤舌的平均壽命為國產鉤舌的2倍左右，且離散度為國產鉤舌的2倍左右。

參考文獻

[1]李曉慧，謝基龍.重載列車E級鋼鉤舌疲勞裂紋擴展條件及壽命預測[J].北京交通大學學報，2006，30（4）：102-105.

[2]劉青峰，謝基龍，繆龍秀，等.鉤尾框尾部彎角疲勞裂紋擴展壽命預測研究[J].北京交通大學學報，2002，24（5）：42-46.

[3]徐倩，謝基龍，繆龍秀，等.基于單軸損傷的火車鉤尾框多軸疲勞壽命分析[J].北京交通大學學報，2002，24（1）：19-22.

[4]K Liffman.A Direct Simulation Monte-Carlo Method for Cluster Coagulation[J].J.Comp.Phy，1992，100（1）：116-127.