動車組車輛轉臂節點疲勞壽命評估*

宗仁莉 侯茂銳

(1.鐵科院(北京)工程咨詢有限公司, 100081, 北京;2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道科學技術研究發展中心, 100081, 北京∥第一作者, 工程師)

軌道交通車輛一系懸掛元件及部件由于受到來自輪軌間的劇烈振動沖擊,在其服役運用過程中經常會出現振動疲勞失效問題[1-4]。轉臂節點作為一系懸掛元件的核心,對車輛的安全運行至關重要。因此,研究轉臂節點的疲勞壽命具有重要意義。

文獻[5-6]利用有限元方法,計算動車組轉臂節點的剛度變化,并對比分析基于Mooney-Rivlin與Ogden這2種橡膠本構模型的計算結果與試驗結果。文獻[7]采用Ogden橡膠本構模型,計算分析某轉臂節點變剛度橡膠球鉸的剛度,并結合S-N(應力-壽命)曲線預測橡膠球鉸的疲勞壽命。文獻[8]使用仿真軟件計算的轉臂節點疲勞壽命并不能代替疲勞試驗, 產品的疲勞壽命最終要通過疲勞試驗來檢驗。文獻[9]對CHR2型動車組服役運用60萬km后的轉臂節點進行拆解、檢查,以及剛度的測試,并對其臺架進行疲勞試驗,得到了轉臂節點剛度退化過程。文獻[10]研究了試驗頻率和載荷幅值增大對轉臂節點疲勞試驗的影響。轉臂節點疲勞壽命試驗時間長,費用昂貴,因此,如何通過有效縮短疲勞試驗時間來預測橡膠元件的疲勞壽命, 對于縮短產品開發周期、節省資金有著重要意義。

本文選擇某型動車組轉臂節點,開展3組工況共6個轉臂節點的疲勞試驗,獲得了不同載荷條件下轉臂節點的剛度變化率。以橡膠材料Ogden為本構模型,建立了轉臂節點疲勞壽命有限元仿真模型,分析了載荷對轉臂節點損傷和疲勞壽命的影響規律,可為準確評估轉臂節點疲勞壽命提供技術支撐。

1 轉臂節點疲勞試驗

1.1 試驗方案

轉臂節點疲勞試驗采用多通道疲勞試驗裝置,如圖1所示。該試驗裝置主要包括龍門架、控制器、作動器及液壓站等系統,可用來進行軌道交通車輛軸箱、空氣彈簧、抗側滾扭桿、牽引拉桿及橡膠堆的疲勞試驗。由于轉臂節點疲勞試驗周期較長,為了縮減試驗周期和試驗成本,本文主要針對轉臂節點徑向疲勞開展疲勞試驗。

圖1 轉臂節點疲勞試驗裝置

TB/T 2843—2015《機車車輛用橡膠彈性元件通用技術條件》規定,轉臂節點疲勞試驗中,徑向載荷為27 kN,疲勞試驗的頻率一般為2～5 Hz,進行1 000萬次的疲勞試驗,轉臂節點靜剛度小于20%。為了加速轉臂節點剛度變化,縮短試驗時間,在標準載荷27 kN的基礎上,將載荷增大至40 kN和90 kN,共設置3個工況,每個工況設置2個轉臂節點。試驗工況見表1。

表1 試驗工況

在試驗過程中,當載荷為27 kN和40 kN時,200萬次加載試驗結束后,測試轉臂節點的徑向剛度;當載荷為90 kN時,加載100萬次后測試轉臂節點的徑向剛度,繼續加載100萬次后再次測試轉臂節點的徑向剛度。測試轉臂節點徑向剛度時,檢查其橡膠的表面狀態,并做好相應記錄。

1.2 試驗結果

完成6個轉臂節點樣本的疲勞試驗,測試結果見表2。

表2 試驗前后轉臂節點徑向剛度對比

由表2可以看出:當徑向載荷為27 kN和40 kN時,轉臂節點進行200萬次疲勞試驗后,其徑向剛度變化較小,其中,載荷為27 kN對應的轉臂節點最大徑向剛度變化率為2.5%,載荷為40 kN對應的轉臂節點最大徑向剛度變化率為4.2%。當徑向載荷增加到90 kN時,轉臂節點進行100萬次疲勞試驗后,其徑向剛度變化率最大可達17.4%;轉臂節點完成200萬次疲勞試驗后,其徑向剛度最大變化率達到25.3%,徑向剛度衰減較快。

綜上,在徑向載荷為27 kN及40 kN的工況下,200萬次疲勞試驗后轉臂節點外觀未見明顯變化;由于轉臂節點徑向剛度較大(名義值為120 kN/mm),雖徑向疲勞載荷高達27 kN,但由于其受載時徑向變形較小,對疲勞后產品性能的影響較小。當徑向載荷增加到90 kN,完成200萬次疲勞試驗后,檢查轉臂節點表面狀態發現,橡膠出現部分溶膠現象,但并未出現明顯裂紋。轉臂節點疲勞試驗后的外觀狀態如圖2所示。

圖2 轉臂節點疲勞試驗后的外觀狀態

2 轉臂節點有限元分析

2.1 材料本構模型

轉臂節點一般由芯軸、橡膠層和軸套等三部分組成。其中,橡膠層可以提供不同的徑向剛度,以滿足轉向架一系定位的要求。

橡膠作為一種黏彈性材料,不能簡單地采用彈性模量和泊松比等物理量表征。描述橡膠材料力學性能的方法主要分為兩類:一類將橡膠考慮為連續介質,另一類是基于熱力學統計的方法。經過長期的理論研究與工程實踐,Mooney-Rivlin模型和Ogden模型這兩類基于連續介質力學理論的現象學模型應用較廣。Mooney-Rivlin模型與Ogden模型在小變形條件下與單軸拉伸試驗數據一致,但在大變形條件下, Mooney-Rivlin模型與試驗結果存在較大偏差,Ogden模型則吻合得較好。本文選取Ogden本構模型表征橡膠材料屬性,以建立精確的轉臂節點有限元模型。

Ogden模型以橡膠材料伸長率為自變量,不僅可以很好地表征橡膠材料的小變形問題,對于橡膠材料的大變形問題也能取得良好的精度。其應變能U為:

(1)

式中:

λ1,αi、λ2,αi、λ3,αi——橡膠材料的伸長率;

i——Ogden模型階數,階數越高,模型的擬合精度越高,i=1,2,…,N;

J——體積壓縮比;

Di——材料是否可壓縮;

αi、μi——材料系數。

2.2 轉臂節點有限元模型的建立

進行有限元分析時,在保證計算結果的前提下可對幾何模型簡化處理,以減少計算時間,提升分析效率。轉臂節點幾何結構左右對稱,建立有限元模型時可采用1/2結構,并忽略細小的倒角及芯軸兩端的螺紋孔等不影響分析結果的幾何特征。

將幾何模型進行網格劃分,并將劃分好的網格模型導入有限元軟件,定義材料參數、網格類型、邊界條件等。設置芯軸和軸套材料的泊松比為0.3,彈性模量為206 GPa。Ogden模型中的橡膠材料參數分別為:μ1=1.33×10-4,α1=12.56,μ2=1,α2=1。金屬網格單元類型設置為八節點六面體線性縮減積分單元C3D8R,橡膠層網格單元類型設置為八節點六面體雜交單元C3D8H。轉臂節點有限元模型如圖3所示?？紤]轉臂節點的實際承載情況,對有限元模型分別施加徑向和軸向載荷。沿xOz平面施加對稱約束,徑向加載時約束芯軸兩端的安裝平面[11]。

圖3 轉臂節點有限元模型

2.3 轉臂節點疲勞壽命有限元模型

為進一步分析載荷對轉臂節點服役性能的影響,在有限元結構性能分析的基礎上,對轉臂節點施加諧波載荷進行疲勞壽命分析,探究其疲勞耐久性。與芯軸和軸套相比,橡膠層更容易出現疲勞損傷。本研究著重關注橡膠層的疲勞壽命。

橡膠材料具有超彈性,在外部載荷作用下通常會發生大變形,這一點不同于金屬材料,不宜采用von Mises應力評估其疲勞性能。轉臂節點承載情況復雜,應采用主應力法結合橡膠材料S-N曲線對疲勞壽命進行準確評估。轉臂節點的受力狀態可采用3個方向的主應力表示,并以此作為疲勞壽命計算的損傷參量。已知:

(2)

式中:

σf——3個主應力的等效應力;

σj——3個方向上的主應力,j=1,2,3;

a1、a2——主應力系數(當σ2、σ3>0時,a1=a2=1;當σ3≤σ2≤0時,a1=a2=0)。

以轉臂節點的等效應力作為疲勞損傷參量,其與疲勞壽命之間的關系為:

Nf=KPd

(3)

式中:

Nf——轉臂節點的疲勞壽命;

P——損傷參量;

K和d——材料參數,可由轉臂節點疲勞試驗結果得到。

根據疲勞載荷工況,對轉臂節點有限元模型施加諧波載荷,提取主應力值,并結合金屬和橡膠材料S-N曲線[12],計算轉臂節點的徑向疲勞壽命。

2.4 轉臂節點疲勞壽命有限元結果分析

不同載荷下轉臂節點的徑向、軸向疲勞壽命結果分別見表3和表4。

表3 轉臂節點的徑向疲勞壽命

表4 轉臂節點的軸向疲勞壽命

由表3可知:徑向載荷由27 kN增大至100 kN的過程中,轉臂節點的疲勞損傷逐漸增大,疲勞壽命急劇下降,由790萬次降低至88萬次。

由表4可知:轉臂節點的軸向疲勞損傷明顯小于徑向疲勞損傷,隨著軸向載荷由27 kN增大至100 kN,疲勞壽命由948萬次降低至133萬次。

圖4為載荷為27 kN時的轉臂節點疲勞壽命云圖。其他載荷對應的轉臂節點疲勞壽命分布特征與載荷為27 kN時類似。

a) 徑向

由圖4可知:轉臂節點徑向和軸向疲勞損傷的最大位置位于受載側兩端。當載荷增大時,轉臂節點的疲勞損傷逐漸向兩端部擴散,最終匯聚至橡膠層兩端內外表面,這與轉臂節點結構性能分析中應力-應變分布趨勢相近,且損傷值也逐漸擴大。圖4中轉臂節點疲勞損傷較大的部位與工程實際中轉臂節點出現疲勞破壞的部位相同,該結果驗證了轉臂節點在徑向、軸向載荷作用下疲勞耐久性分析的正確性。

3 結語

1) 對6個轉臂節點開展3組不同載荷條件下的疲勞壽命試驗。當徑向載荷為27 kN和40 kN時,轉臂節點完成200萬次疲勞試驗后,其徑向剛度變化較小,最大徑向剛度變化率分別為2.5%和4.2%,疲勞試驗后轉臂節點外觀未見明顯變化。當徑向載荷增加到90 kN時,轉臂節點完成100萬次疲勞試驗后,其徑向剛度變化率達到17.4%;轉臂節點完成200萬次疲勞試驗后,其徑向剛度變化率達到25.3%,徑向剛度衰減速率明顯加快,達到失效限值。疲勞試驗后轉臂節點橡膠出現部分溶膠現象,但并未出現明顯裂紋。

2) 轉臂節點疲勞壽命仿真計算結果表明,轉臂節點橡膠層疲勞損傷的最大位置位于受載側兩端。隨著載荷幅值的增加,轉臂節點疲勞損傷逐漸向兩端部擴散,最終匯聚至橡膠層兩端內外表面,這與轉臂節點結構性能分析中應力-應變分布趨勢相近,且損傷值也逐漸擴大。相應地,轉臂節點疲勞壽命隨著載荷的增加逐步減小,載荷由27 kN增大至100 kN,轉臂節點疲勞壽命急劇下降,徑向疲勞壽命由790萬次降低至88萬次,軸向疲勞壽命由948萬次降低至133萬次。