韓朝霞，孫守光，趙方偉

(北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京100044)

基于實測載荷譜的側架壽命分析*

韓朝霞，孫守光，趙方偉

(北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京100044)

隨著鐵路提速重載的發(fā)展，鐵路貨車轉向架零部件的疲勞裂損率增加。本文通過我國幾條典型線路實測，得到我國鐵路貨車的實測載荷譜。利用有限元仿真得到載荷—應力的轉化系數(shù)，由實測載荷譜得到應力譜，基于該應力譜計算轉向架側架的疲勞壽命，并和AAR載荷譜的疲勞壽命對比分析，驗證實測載荷譜的可用性。

側架;實測載荷譜;疲勞壽命;循環(huán)特征

在隨機載荷作用下，大部分工程結構的失效是由疲勞破壞造成的。因此，人們對工程結構疲勞問題的研究工作越來越重視。隨著鐵路貨車運行速度以及載重的逐步提高，作為車輛轉向架的側架［1］疲勞裂紋［2］的失效問題顯得日益突出，因此，對貨車側架的疲勞問題進行研究意義重大。

作為轉向架的重要組成部分，運用中的側架承受拉、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，由于我國地域廣闊，地理形勢復雜，修建的鐵路遠遠比美國AAR標準建立時的試驗條件復雜，因此若直接將AAR的載荷譜應用于我國鐵路的貨車設計、制造及壽命評估，不能滿足我國鐵路運輸?shù)陌l(fā)展需求。因此，我們迫切需要建立符合我國大鐵路實際運營工況的載荷譜。本文就是在運營線路上進行側架動態(tài)載荷測試，結合有限元分析［4］的數(shù)據(jù)，編制出符合我國鐵路工況的載荷譜，并基于該載荷譜估算側架壽命，驗證了實測載荷譜的可用性，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對側架進行實體建模后，再導入有限元分析軟件Hypermesh選用Solid45單元劃分網格。劃分單元后結構離散網格模型見圖1，然后導入ANSYS進行有限元分析計算。

(2)約束設置及加載情況

基于AAR標準的側架載荷譜是通過取搖枕浮沉總載荷之半近似作為側架垂向載荷，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

出相應的側架垂向載荷譜。

圖1 側架離散網格模型

因此有限元分析計算時，分兩種情況計算。一種是在側架軸箱彈簧支撐處施加垂向彈性約束﹑導框處施加橫向彈性約束，在彈簧承臺處施加垂向載荷，載荷大小依據(jù)AAR機務標準M－203－05《鑄鋼轉向架側架設計和技術規(guī)范》取為349.9 kN。另一種是在彈簧承臺處施加三向彈性約束，在側架軸箱彈簧支撐處施加垂向載荷，載荷大小依據(jù)AAR機務標準M－203－05取為349.9 kN。

(3)有限元分析計算結果

兩種約束載荷施加后，結果相近。側架在垂直載荷工況下的應力分布如圖2所示。列出各點的應力值如表1所示。比較各關鍵點的應力大小，并結合參考文獻［1］選取最大應力位置的載荷—應力轉化系數(shù)0.315。

2 載荷譜與應力譜轉換

(1)動載荷測試與載荷譜編制

在轉K6轉向架處安裝專門定制的承載鞍傳感器。選用德國數(shù)字采集系統(tǒng)IMC SL寬溫系列測試儀器，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次進行全程連續(xù)測試，各條線路測試里程見表2。

圖2 側架在垂向載荷作用下應力云圖

表1 損傷量最大的4個節(jié)點應力

表2 各線路測試里程

各條線路的測試里程都達到AAR標準的測試里程要求。試驗時最高運行速度為80 km/h，牽引噸位為5 000 t，數(shù)據(jù)采集時采樣頻率為500 Hz。采用雨流計數(shù)法［5］對采集數(shù)據(jù)進行處理，最后得到側架的載荷—時間歷程，并編制載荷譜。

(2)側架應力譜編制

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

(3)AAR載荷譜編制

取搖枕總載荷之半近似作為側架垂向載荷，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的側架垂向載荷譜。換算系數(shù)根據(jù)(試驗車載重+自重)/(90.7 t敞車載重+自重)計算得0.76。按載荷與應力成線性關系由側架載荷譜換算出側架在垂向載荷譜作用下的應力譜。

3 基于載荷譜的側架壽命估算

(1)對數(shù)S－N曲線斜率的確定

根據(jù)AAR設計基準推薦的S－N曲線如圖3所示。經驗表明，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力集中的區(qū)域。對導致疲勞裂紋發(fā)生的鑄造缺陷按3類進行分析:小缺陷(球狀)，較少見，kf為疲勞降低系數(shù)，kf=1.25;大缺陷(裂紋狀)，罕見，kf=2～3;中等缺陷(夾渣、疏松、縮孔)，最常見，kf= 1.5～2。有關數(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量［6］。北美鐵路協(xié)會AAR的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，鑄造缺陷是搖枕在運用中發(fā)生疲勞裂紋的主要原因。

圖3 B級鋼S－N曲線

考慮疲勞降低系數(shù)kf=1.5，2，2.5，3時的側架壽命。已知kf=1時的側架B級鋼S－N曲線，對其取雙對數(shù)，則雙對數(shù)S－N曲線的絕對斜率為:，計算得到k=0.12，即k1=0.12，k2=k1/2;其中k1、k2為理想S－N曲線的絕對斜率，見圖4。

圖4 理想S－N曲線

圖中Ni為第i個應力級下出現(xiàn)損壞的循環(huán)數(shù);Si為按Ni次循環(huán)損壞計算的疲勞極限;Se為疲勞極限內出現(xiàn)損壞的應力;Ne為Se應力級下出現(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/最大應力比值。Smax為最大應力。Smin為最小應力。

由R=－1時的S－N曲線以及強度極限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)按累積損傷理論進行疲勞壽命估算

用上文計算出的m，b，k值，結合S－N曲線以及應力譜計算側架的疲勞壽命。其中，

式中k為S－N曲線斜率的絕對值，Sr是應力范圍，αi為作用給第i應力級占總循環(huán)數(shù)的百分數(shù)，R為循環(huán)特征Smin/Smax，β是每公里譜循環(huán)數(shù)，各測試線路的每公里譜循環(huán)數(shù)見表4。

表4 測試線路每公里譜循環(huán)數(shù)

(4)計算結果及分析

空車運行對側架產生的損傷極小，可以忽略不計。重車運行情況決定著側架的疲勞壽命。因此，本文選擇重車運用條件下的AAR載荷譜和線路實測載荷譜。

在AAR載荷譜和實測載荷譜作用下，假設以AAR載荷譜計算的壽命為基準，此處設為1，則側架在實測載荷譜作用下的相對疲勞壽命為實測壽命除以AAR載荷譜壽命。側架在AAR載荷譜以及實測載荷譜作用下的疲勞壽命見圖6。

圖6 側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，該系數(shù)對側架壽命的影響較大。出現(xiàn)這種狀況的原因是kf較小變化能引起應力較小變化，但是，應力與壽命之間不是線性關系，而是對數(shù)值的線性關系。因而kf較大時，應力變化較大，引起壽命的劇烈變化。或者可以說當疲勞缺口系數(shù)達到一定程度時，載荷對壽命的影響也變的不明顯，此時側架的壽命主要表現(xiàn)為疲勞裂紋擴展壽命。

由圖6結果分析可知，不同線路計算結果隨著疲勞降低系數(shù)的總趨勢相同。但在同等疲勞降低系數(shù)下的AAR載荷譜計算的壽命要比實測載荷譜計算的壽命低。分析兩者試驗條件，可知AAR載荷譜的測試速度為39.7 km/h，而本次國內大鐵路的試驗速度最高達到80 km/h。速度對轉向架零部件的疲勞壽命有很大影響。速度越高，側架疲勞損傷越大，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載荷譜試驗的循環(huán)特征大部分集中在0.93～1之間，我國實測線路的循環(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，當循環(huán)特征不同時，疲勞曲線不同。低周疲勞區(qū)，循環(huán)特征越大，同樣的應力下的壽命越大。高周疲勞區(qū)，循環(huán)特征越大，同等壽命下的應力越大。

其次，載荷譜的測試方法也不一樣，實測載荷譜的動應力直接從輪對經過一系懸掛在承載鞍處測得，AAR載荷譜的動應力是從輪對經過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。實測載荷譜計算出的壽命更貼近以后實際運營中側架的疲勞壽命。

國內大鐵路上不同線路的疲勞壽命差別明顯，見圖8。

圖7 循環(huán)特征對比圖

圖8 各測試線路壽命

從圖8中可以看出，北京—成都的線路測試出來的側架壽命最短，北京到哈爾濱的側架壽命次之，北京—廣州的側架壽命最長。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。

由于試驗條件的限制，本文忽略了側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，需要對側架的橫向載荷以及交叉桿載荷補充試驗。

4 結 論

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

(2)在疲勞降低系數(shù)為1.5～2時，轉向架側架壽命較高，隨著疲勞降低系數(shù)的增大，對壽命的影響明顯。

(3)運行速度越快，動應力越明顯，循環(huán)特征越小，應力越大，疲勞壽命越小。

(4)曲線、道岔越多，對動應力影響越大，側架壽命越短。

需結合我國鐵路線路工況、載重、速度以及生產側架水平實際情況來編制載荷譜，為將來提速重載的穩(wěn)定發(fā)展做好準備。

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

［2］ 高鎮(zhèn)同.疲勞應用統(tǒng)計學［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1986.

［3］ 劉德剛，侯衛(wèi)星，王鳳洲，等.基于有限元技術的構件疲勞壽命計算［J］.鐵道學報，2004，26(2):47-51.

［4］ 周 俊，童小燕.雨流計數(shù)的快速實現(xiàn)方法［J］.科學技術與工程，2008，8(13):3545-3547，3558.

［5］ 劉志明.隨機載荷下焊接構架疲勞壽命及可靠性研究［D］.北京:北方交通大學，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)展基金項目(2011J014－A)

0—)女，碩士研究生(

2014－07－20)