夏祥春
(永城職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系,河南 永城 476600)
搖枕是貨車轉(zhuǎn)向架三大件結(jié)構(gòu)之一,是重要的承載部件,是車輛車體和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間的連接裝置,主要承受和傳遞垂向力、橫向力和縱向力,轉(zhuǎn)向架搖枕的疲勞強(qiáng)度問題直接關(guān)系到車輛正常運(yùn)行的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性。因此,對轉(zhuǎn)向架搖枕進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評價及壽命計算具有很強(qiáng)的必要性。
根據(jù)美國AAR機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)中M-202-05“鑄鋼轉(zhuǎn)向架搖枕設(shè)計和試驗規(guī)范”,對搖枕進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析。
根據(jù)對搖枕的有限元分析確定搖枕疲勞薄弱部位發(fā)生在下表面中央、下表面漏砂孔、下表面端部拐角。依據(jù)AAR標(biāo)準(zhǔn)的脈動循環(huán)應(yīng)力-壽命曲線和最大主應(yīng)力考核準(zhǔn)則求出各載荷工況下的損傷,進(jìn)而利用Miner線性累積損傷理論求得搖枕各疲勞薄弱部位的總損傷。
依據(jù)疲勞試驗載荷下疲勞薄弱部位損傷計算結(jié)果可以對搖枕疲勞薄弱部位的大應(yīng)力區(qū)的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評價。在正常鑄造質(zhì)量水平下,總的載荷循環(huán)數(shù)為100萬次時搖枕各部位的疲勞累積損傷值均小于1,也就說明通過100萬次的載荷循環(huán)后該搖枕沒有發(fā)生疲勞破壞,符合強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)美國AAR機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)中90.7t敞車重空車載荷譜的記錄里程。依據(jù)應(yīng)力-壽命法,結(jié)合材料的S-N曲線和Miner線性累計損傷法則對搖枕的疲勞壽命進(jìn)行估計。
由S-N曲線方程,第i級應(yīng)力水平下的壽命為Ni。根據(jù)Miner線性累計損傷法則,單個譜塊作用下?lián)u枕的疲勞損傷為:
式中,D為疲勞損傷值;ni表示某應(yīng)力水平的循環(huán)數(shù)。
當(dāng)多級載荷譜對搖枕作用時,根據(jù)Miner線性累計損傷法則可知,對每級載荷譜單獨(dú)作用時造成的損傷進(jìn)行累積,最后得到搖枕的總損傷,其計算思路為:先計算每級載荷譜單獨(dú)作用時造成的疲勞損傷值DK;再結(jié)合每個譜的記錄里程λK,求出該部位累積損傷之和;最終由總損傷求的搖枕的總壽命。
式中,K為載荷譜數(shù);λK為第K級載荷譜的記錄里程;DK為第K級載荷譜下該部位的疲勞損傷值;N為搖枕的總壽命。
根據(jù)疲勞試驗載荷下疲勞薄弱部位損傷計算,搖枕疲勞最薄弱部位在下表面的漏砂孔處,該部位損傷最嚴(yán)重,只要該部位達(dá)到疲勞壽命要求,那么整個搖枕就滿足壽命要求,因此,該部位的壽命就代表了整個搖枕的疲勞壽命。依據(jù)美國AAR標(biāo)準(zhǔn)中的載荷譜,根據(jù)式(1)和式(2)計算可以求出搖枕該部位在不同Kf下的疲勞壽命,也就是搖枕的總壽命。
由AAR載荷譜下?lián)u枕的疲勞壽命可以看出,疲勞降低系數(shù)為2.0時,得到搖枕的疲勞壽命為228萬km,該疲勞降低系數(shù)代表了搖枕的正常質(zhì)量水平,因此,搖枕的疲勞壽命即為228萬km。當(dāng)按照規(guī)范中規(guī)定的空車與重車的運(yùn)行里程比0.95計算,可以得到重車情況下?lián)u枕的壽命為15.2年。
依據(jù)AAR標(biāo)準(zhǔn)中的載荷譜,在相應(yīng)的疲勞降低系數(shù)下,運(yùn)用Miner線性累積損傷法則對搖枕最疲勞薄弱部位(下表面漏砂孔處)進(jìn)行了壽命評估,其壽命為76萬~228萬km。如果按照重車每年運(yùn)行15萬公里計算,則該處疲勞壽命為5.2~15.2年。搖枕強(qiáng)度的分析和壽命的估算為工程中搖枕的檢修周期提供了科學(xué)的依據(jù),保證了列車運(yùn)營的安全性。
[1]王曉明,周業(yè)明,孫厚禮.天津地鐵6號線轉(zhuǎn)向架研制[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2017,(4).
[2]美國鐵路標(biāo)準(zhǔn).AAR機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)手冊[S].美國:北美鐵路協(xié)會,1999.