基于疲勞試驗(yàn)的車鉤鉤舌剩余壽命與裂紋長度研究

孟慶民，王 巖

(中車齊齊哈爾車輛有限公司 大連研發(fā)中心，遼寧 大連 116052)

車鉤疲勞斷裂是導(dǎo)致鐵路貨車分離事故的主要原因之一，直接關(guān)系到行車安全[1]。目前國內(nèi)外鐵路貨運(yùn)不斷向提速和重載方向發(fā)展，列車的縱向載荷大幅度增加，導(dǎo)致車鉤特別是鉤舌疲勞壽命明顯降低，鉤舌疲勞斷裂問題十分突出。為了充分合理地利用車鉤鉤舌的使用壽命，進(jìn)一步降低鉤舌的檢修維護(hù)成本，目前國內(nèi)外均在進(jìn)行鉤舌疲勞壽命及檢修規(guī)程的相關(guān)研究[2]。本文對(duì)出口澳大利亞貨車的20個(gè)已運(yùn)用車鉤鉤舌進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，并在試驗(yàn)過程中進(jìn)行了階段性裂紋探傷檢查，記錄了裂紋的擴(kuò)展過程，使各階段剩余壽命對(duì)應(yīng)的裂紋長度可追溯。最后對(duì)裂紋長度樣本進(jìn)行了數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，得到了各階段剩余壽命與對(duì)應(yīng)的裂紋長度關(guān)系，可為鉤舌的更換和檢修維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持[3]。

1 試驗(yàn)方法

本次由澳大利亞用戶返回的車鉤鉤舌已服役21個(gè)月(約31.5萬km)，鉤舌返廠后對(duì)其進(jìn)行了濕法磁粉探傷，綜合考慮裂紋長度和裂紋位置，選取了20個(gè)鉤舌進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，其中牽引臺(tái)帶有初始裂紋的鉤舌共18個(gè)，鉤舌內(nèi)腕帶有初始裂紋的鉤舌共19個(gè)，2個(gè)部位均帶有裂紋的鉤舌17個(gè)。鉤舌裂紋的初始狀態(tài)見圖1。

圖1 已運(yùn)用鉤舌裂紋初始狀態(tài)

1.1 試驗(yàn)載荷譜及換算關(guān)系

基于用戶提供的載荷譜，簡化處理后得到的試驗(yàn)載荷譜如表1所示[4]。

表1 鉤舌疲勞試驗(yàn)載荷譜

為了更好地建立鉤舌疲勞試驗(yàn)次數(shù)與里程壽命、時(shí)間壽命之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本文根據(jù)新品鉤舌平均疲勞試驗(yàn)次數(shù)與該批20個(gè)運(yùn)用鉤舌平均疲勞試驗(yàn)次數(shù)的差值和該批運(yùn)用鉤舌的運(yùn)用時(shí)間(21個(gè)月)建立等量關(guān)系，按照車輛每年運(yùn)行18萬km計(jì)算，得到了1年18萬km16 921次的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系可以將鉤舌的疲勞試驗(yàn)次數(shù)換算為時(shí)間壽命和里程壽命。

1.2 裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)

試驗(yàn)過程中，按照試驗(yàn)載荷譜每累計(jì)拉伸3 460次后停機(jī)，拆解鉤舌并對(duì)鉤舌的上下牽引臺(tái)及鉤舌內(nèi)腕進(jìn)行磁粉探傷檢查，記錄裂紋的擴(kuò)展情況，然后重新組裝鉤舌并開機(jī)試驗(yàn)。重復(fù)此試驗(yàn)過程，直至鉤舌斷開。

2 裂紋長度與剩余壽命的統(tǒng)計(jì)分析

在疲勞試驗(yàn)中對(duì)鉤舌裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行階段性監(jiān)測(cè)，因此各階段剩余壽命所對(duì)應(yīng)的裂紋長度是可以追溯的。選取13個(gè)在鉤舌內(nèi)腕斷開的鉤舌，從鉤舌內(nèi)腕斷開時(shí)的壽命向前追溯3個(gè)月，這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)即對(duì)應(yīng)13個(gè)裂紋長度的樣本數(shù)據(jù)。利用疲勞應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的單側(cè)容限系數(shù)法計(jì)算鉤舌內(nèi)腕剩余壽命為3個(gè)月時(shí)的裂紋長度[5]。

(1)

式中：i——樣本序數(shù)；

n——樣本總數(shù)，n=13。

圖2 鉤舌內(nèi)腕剩余壽命3個(gè)月裂紋長度P-N圖

(2)

95%存活率的安全裂紋長度為N95=101.905=80 mm。這個(gè)安全裂紋長度的含義是：剩余壽命為3個(gè)月的鉤舌內(nèi)腕，95%存活率的個(gè)體裂紋長度大于80 mm，這一結(jié)論的置信度為90%。

應(yīng)用同樣的方法，基于95%存活率和90%置信度分別計(jì)算剩余壽命為6個(gè)月、9個(gè)月、1年、2年所對(duì)應(yīng)的鉤舌內(nèi)腕和牽引臺(tái)的裂紋長度，計(jì)算結(jié)果見圖3。在日常鉤舌檢修中，用戶可依據(jù)圖3中剩余壽命與裂紋長度的關(guān)系，為判斷鉤舌內(nèi)腕和牽引臺(tái)的剩余壽命提供參考。

圖3 剩余壽命與對(duì)應(yīng)的裂紋長度的關(guān)系

3 結(jié)論

本文基于出口澳大利亞的20個(gè)已運(yùn)用車鉤鉤舌的疲勞試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中記錄了鉤舌疲勞裂紋的擴(kuò)展過程，保證了鉤舌各階段的剩余壽命對(duì)應(yīng)的裂紋長度可追溯，同時(shí)運(yùn)用疲勞應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的單側(cè)容限系數(shù)法(基于95%存活率、90%置信度)得到了各階段剩余壽命所對(duì)應(yīng)的裂紋長度，可為鉤舌的更換和檢修提供參考。