不同鑄造缺陷下的L-B 型制動梁閘瓦托疲勞壽命預測*

俞正寬，朱 濤，肖守訥，陽光武，楊 冰

（西南交通大學 牽引動力學國家重點實驗室，成都 610031）

目前，隨著鐵路貨車朝著重載和快速的方向發展，列車制動過程中的安全問題就顯得尤為重要。制動梁是基礎制動裝置中的一個重要結構，對貨車整體的制動性能有著重要影響［1］。而閘瓦托作為制動梁中的關鍵組成部分，主要負責支撐制動梁梁體和連接閘瓦，其在使用過程中受力狀態也較為復雜，因此有必要對其疲勞壽命進行預測分析。為后續的生產檢修運用提供一定的指導意義。

近年來，有些專家學者對我國鐵路貨車制動梁的閘瓦托進行相關研究。劉振明對L-B 型制動梁閘瓦托進行實物解剖分析，并對出現缺陷的部位進行探傷和金相檢驗，對其常見的缺陷進行分類和判別，找出缺陷原因，并提供了幾種改進建議［2］。李永闖發現L-B 型制動梁閘瓦托在車輛制動試驗時存在閘瓦上部與車輪貼靠不嚴的問題，針對此問題，進行檢測和分析，認為是由閘瓦托同向后仰變形造成的，并從其結構本身的角度，提出了解決辦法和改進建議［3］。王錦奎針對L-B 型制動梁閘瓦托在不同檢修周期中出現的一些問題進行統計，并對不同故障產生的原因進行總結，最后從制造工藝和檢修作業流程等方面提供了相關的改進建議［4］。

針對閘瓦托的這些研究，大部分是對閘瓦托實際的故障進行統計分析，并對其結構和檢修工藝流程進行調整優化，但很少有從仿真的角度，將鑄造工藝所導致的缺陷考慮在內，對其疲勞壽命進行預測。因此文中以當前我國鐵路貨車L-B 主型制動梁為例，對閘瓦托進行受力分析，結合靜力分析結果，并重點考慮鑄造缺陷所帶來的影響，對其在不同鑄造缺陷下的疲勞壽命進行預測。

1 閘瓦托結構有限元分析

L-B 型制動梁的結構和主要受力如圖1 所示。閘瓦托結構如圖2 所示，主要有閘瓦托底部、閘瓦托滑塊根部以及閘瓦托圓弧3 大部分。其底部有鉚釘孔，主要通過鉚釘和制動梁的梁架相連接；在滑塊的根部處有銷釘孔，通過銷釘孔和磨耗套相連，并固定在側架滑槽處；圓弧部分設有相應的卡槽，用來和閘瓦進行連接。

圖1 L-B 型制動梁結構與受力

圖2 閘瓦托結構圖

通過對制動梁整體進行有限元分析，確定閘瓦托結構的應力分布狀態。制動梁整體主要由兩側的閘瓦托滑塊進行支撐，工作時，主要承受來自從制動缸傳遞至中間支柱處的制動力，以及制動過程中，輪對對閘瓦托圓弧處的切向摩擦力。

根據制動梁整體的受力特點，建立其有限元分析模型，制動梁的有限元模型如圖3 所示。在滑塊處添加固定約束，同時在制動梁的支柱中心銷孔位置施加制動力，在兩側的閘瓦托圓弧處施加切向的摩擦力。根據《鐵路貨車組合式制動梁試驗方法》［5］對其制動力和摩擦力大小進行計算，制動力Fn的表達式為式（1）：

圖3 制動梁有限元模型邊界條件

式中：D為制動缸直徑，取356 mm；P為緊急制動時制動缸空氣壓力，取420 kPa；n為制動梁倍率，取10；m為1 輛車上的制動梁數量，取4。因此根據公式，計算得出制動力為104.5 kN。

制動梁每個閘瓦托受到的摩擦力Fq為式（2）：

式中：Fn為制動力，取104.5 kN；f為車輪和閘瓦間的摩擦系數，取0.418，因此每個閘瓦托受到的切向摩擦力為21.8 kN。

對制動梁整體進行有限元計算后，單獨將閘瓦托的應力結果提取出來，確定其薄弱位置，閘瓦托的應力云圖如圖4 所示。

圖4 閘瓦托應力云圖

根據閘瓦托計算的應力結果可知，閘瓦托最大應力值為191 MPa，閘瓦托整體所受到的應力值均在屈服強度280 MPa 以內，因此其靜強度結果滿足要求。最大應力值出現在閘瓦托滑塊根部，為閘瓦托最薄弱部位，對閘瓦托進行疲勞預測時，應重點關注此部位。

2 不同鑄造缺陷下的閘瓦托結構S-N 曲線

2.1 閘瓦托材料S-N 曲線

L-B 型制動梁閘瓦托的材料為B 級鑄鋼，在《鐵道貨車鑄鋼搖枕、側架技術條件》［6］中，對B 級鋼的材料的性能規定見表1。

表1 B 級鋼的力學性能

目前對于B 級鋼材料的S-N曲線試驗數據研究較少，因此文中根據以上參數對B 級鋼的S-N曲線進行參數估計。

材料的疲勞曲線是應力S和循環次數N的基本關系，一般在應力比R=-1 時，即對稱循環載荷下測得。描述材料S-N曲線較為常用的是冪函數形式，其方程為式（3）：

式中：m和C均是和材料相關的參數，通過對式（3）兩邊取對數，得到式（4）：

式中：A=lgC/m，B=-1/m。通過式（4）可看出，應力S和循環次數N在雙對數坐標下，二者成線性關系，材料的S-N曲線如圖5 所示。

圖5 材料的基本S-N 曲線

根據圖5 所示，只需知道2 個點，就可以推算出材料的S-N曲線。圖中當循環次數大于Nf時，材料不產生疲勞損傷，為無限壽命，Nf所對應的應力值Sf稱為疲勞極限。對于鋼材而言，Nf一般為107次，根據B 級鋼的抗拉強度Su，可以對其S-N曲線參數進行估計。根據參考文獻［7］，在應力比R=-1 時，材料在拉壓載荷作用下，材料的參數可以做如下的近似估計：當Nf=107次時，Sf=0.35Su，當N1=103次時，S1=0.9Su。

確定了圖中2 點坐標后，可以算出式（4）中的參數A和B：

B 級鋼的抗拉強度Su取485 MPa。根據上述的公式可以計算出，Sf=0.35Su=169.75 MPa，S1=0.9Su=436.5 MPa，B=-0.102 5，A=2.948。

因此可以得到B 級鋼在應力比R=-1 時的SN曲線方程為式（7）：

其對應的S-N曲線如圖6 所示：

圖6 B 級鋼材料的S-N 曲線

2.2 閘瓦托結構的S-N 曲線

由于閘瓦托整體采用鑄造的加工方式，因此在計算其疲勞壽命時，要將鑄造缺陷所帶來的影響考慮在內。因此需要對閘瓦托材料的S-N曲線進行適當修正，得到可用于閘瓦托疲勞分析的S-N曲線。修正時，主要引入疲勞強度降低系數kf對其疲勞極限值進行修正，即改變材料曲線中107次循環下的應力值，對103次下的應力值保持不變［8］。根據AAR 標準［9］中，不同的鑄造缺陷對應不同的疲勞強度降低系數，具體見表2。

表2 AAR 標準中不同鑄造缺陷下的疲勞強度降低系數

根據不同的缺陷狀態確定疲勞強度降低系數，并計算得到不同疲勞強度降低系數下的材料S-N曲線參數和方程，見表3。根據方程，繪制出相應的S-N曲線，如圖7 所示。

圖7 不同疲勞強度降低系數下的閘瓦托疲勞曲線

表3 不同疲勞強度降低系數下的S-N 曲線參數和方程

3 閘瓦托疲勞壽命預測

3.1 疲勞載荷譜

根據《鐵路貨車組合式制動梁》中，對于制動梁施加的疲勞載荷為制動力載荷與摩擦力載荷，其載荷大小與靜強度載荷一致。其二者的加載波形如圖8 所示，加載頻率最高不超過4 Hz。Fn為制動力，大小為104.5 kN，主要施加在制動梁的支柱圓銷孔處；Fq為摩擦力，大小為21.8 kN，主要施加在制動梁兩側閘瓦托的圓弧面處。標準載荷譜中規定以制動力加載頻次為基準，施加頻次達到100萬次（對應160 萬km），制動梁各部位均不應出現裂紋，證明該制動梁產品合格。

圖8 制動梁的疲勞載荷譜

3.2 疲勞壽命預測方法

文中主要采取名義應力法對閘瓦托進行疲勞壽命預測。用該方法結合被分析零構件的S-N曲線，再通過計算分析得出結構疲勞危險部位的名義應力，最后結合平均應力修正以及疲勞累積損傷理論，對其疲勞壽命進行預測評估。閘瓦托結構的疲勞壽命分析步驟和流程如圖9 所示：

圖9 閘瓦疲勞壽命分析流程

（1）根據閘瓦托結構的有限元分析結果，確定其疲勞薄弱位置，并求解出薄弱位置的名義應力。

（2）確定結構的疲勞載荷譜，將載荷譜施加到結構分析中，確定結構的應力譜。

（3）在計算過程中，基于不同鑄造缺陷的閘瓦托結構S-N曲線，采用Goodman 公式，對平均應力進行修正，并結合Miner 線性累積損傷理論，求出不同鑄造缺陷系數下的閘瓦托疲勞壽命。

3.3 疲勞壽命分析結果

根據上述疲勞分析步驟，對閘瓦托的疲勞壽命進行計算分析。按照標準中規定的疲勞載荷譜作為輸入，并將循環次數和里程數進行折算，得到不同鑄造缺陷下的閘瓦托疲勞壽命及其使用里程。首先得到不同鑄造缺陷下的閘瓦托疲勞壽命循環次數，見表4。在此基礎上，將疲勞壽命循環次數與里程數進行折算，進而得到相應的閘瓦托里程壽命，如圖10 所示。

圖10 不同疲勞強度降低系數下的閘瓦托疲勞壽命

表4 不同鑄造缺陷下的閘瓦托疲勞壽命結果

由表4 中統計數據可知，在無缺陷和小缺陷的理想狀態下，閘瓦托疲勞循環次數達到截止次數，即107次，此時閘瓦托為無限壽命；在中等鑄造缺陷下，閘瓦托壽命里程急劇減小，對應里程約為224萬km；在大的鑄造缺陷下，閘瓦托的使用壽命較短，均不到100 萬km，小于標準中規定的160 萬km，使用壽命較低，均屬于不合格產品。

4 總 結

文中確定了L-B 型制動梁閘瓦托結構薄弱位置的基礎上，對不同鑄造缺陷下的結構疲勞壽命進行預測分析，得到有關結論如下：

（1）閘瓦托結構受鑄造工藝缺陷的影響，結構的S-N曲線與光滑材料試驗下的S-N曲線相比有顯著的不同，在疲勞計算時應重點考慮鑄造缺陷對閘瓦托材料性能的影響，采用不同鑄造缺陷下的S-N曲線才能得到相對準確的疲勞壽命結果。

（2）以標準中的疲勞載荷譜對閘瓦托進行疲勞計算，計算過程中考慮平均應力的影響，結合Miner 線性累積損傷理論，得到不同鑄造缺陷下的閘瓦托疲勞壽命；在無缺陷和小缺陷的理想狀態下，閘瓦托接近于無限壽命；在中等鑄造缺陷下，閘瓦托壽命急劇減小，對應里程約為224 萬km；在大的鑄造缺陷下，閘瓦托的使用壽命小于100 萬km，低于標準規定的160 萬km。

基于文中的分析可知閘瓦托在生產制造過程中，應嚴格把控鑄造工藝，避免產生大的鑄造缺陷，在檢修維護中，應重點關注閘瓦托根部位置；要得到更準確的疲勞壽命結果，應從閘瓦托取樣，進行材料疲勞性能測試，得到更準確的材料數據，或者為閘瓦托設計相應的工裝，進行整體疲勞試驗。