何文信，傅茂海，李亞威，李 杰

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

制動(dòng)缸是列車制動(dòng)過程中的關(guān)鍵部件，在制動(dòng)動(dòng)作實(shí)施過程中，制動(dòng)缸座將承受較大的機(jī)械負(fù)荷，工作條件極為惡劣，因此制動(dòng)缸座的強(qiáng)度和可靠性問題一直是制動(dòng)計(jì)算設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題。隨著高速重載列車的出現(xiàn)，對(duì)制動(dòng)缸座的強(qiáng)化程度和性能要求不斷提高，制動(dòng)缸在制動(dòng)與緩解的交變載荷作用下承受復(fù)雜的變載荷作用，特別是在列車緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)缸座在較大的沖擊力作用下往往會(huì)在焊縫區(qū)形成疲勞裂紋，其強(qiáng)度計(jì)算和評(píng)估是制動(dòng)缸座設(shè)計(jì)與計(jì)算中的難點(diǎn)。

在本世紀(jì)以前，我國(guó)對(duì)高速及重載列車可靠性的認(rèn)識(shí)和研究水平與先進(jìn)國(guó)家相比尚有一定差距,在投入實(shí)際運(yùn)營(yíng)的機(jī)車車輛中,時(shí)有影響列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞,如準(zhǔn)高速客車CW-2轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的箱形側(cè)梁、“藍(lán)箭”號(hào)高速動(dòng)力車車體底架變壓器安裝橫梁和某出口大功率內(nèi)燃機(jī)車底架主梁魚腹圓弧過渡部位等]1]的疲勞破壞,給機(jī)車車輛制造行業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失,也嚴(yán)重危及到鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

眾所周知，疲勞裂紋常起始于高應(yīng)力集中、強(qiáng)度薄弱區(qū)域，并最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，由于焊接接頭部位存在較大的應(yīng)力集中，且常伴隨有各種焊接缺陷，顯然其是最容易發(fā)生疲勞破壞的區(qū)域]2-3]。因此，各種焊接接頭的疲勞強(qiáng)度分析是整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析的重點(diǎn)。目前，對(duì)焊縫疲勞強(qiáng)度的分析多采用基于各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的方法，主要有名義應(yīng)力法、結(jié)構(gòu)應(yīng)力法、缺口應(yīng)力—應(yīng)變法、斷裂力學(xué)法等。本文采用德國(guó)焊接協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)DVS1612—2009《Design and fatigue testing of welded steel joints in the railway》所規(guī)定的名義應(yīng)力法，得出焊縫節(jié)點(diǎn)材料利用度最大的10個(gè)節(jié)點(diǎn)，以確定焊縫是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的疲勞強(qiáng)度要求。

1 制動(dòng)缸座的計(jì)算模型及載荷工況

1.1 制動(dòng)缸座的計(jì)算模型

制動(dòng)缸座是制動(dòng)缸和車體底架之間的連接件，其三維模型如圖1所示。

將已有的制動(dòng)缸座的三維模型導(dǎo)入到ANSYS中，制動(dòng)缸座有限元分析模型采用空間笛卡爾坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系中，Z軸指向車輛運(yùn)行方向，Y軸與線路方向相垂直，X軸垂直于軌道平面，其正方向?yàn)樨Q直向上。制動(dòng)缸座為鑄造件，采用Solid45單元對(duì)其進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，整體單元尺寸設(shè)置為7 mm，共離散為28 259個(gè)節(jié)點(diǎn)、21 030個(gè)實(shí)體單元。制造材料Q235的屬性如表1所示，制動(dòng)缸座的有限元模型如圖2所示。

表1 制造材料Q235的屬性

1.2 制動(dòng)缸座的載荷工況

根據(jù)制動(dòng)缸的設(shè)計(jì)技術(shù)條件，在對(duì)制動(dòng)缸座的焊縫進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)定時(shí)，需對(duì)制動(dòng)缸座進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，其基本要求是：在制動(dòng)缸活塞行程為155 mm、制動(dòng)缸壓力為380 kPa的條件下進(jìn)行25萬(wàn)次的耐久試驗(yàn)，才能滿足制動(dòng)缸座焊縫的疲勞性能試驗(yàn)要求。

2 制動(dòng)缸座焊縫的疲勞強(qiáng)度評(píng)定程序

本文根據(jù)德國(guó)焊接協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)DVS1612—2009對(duì)制動(dòng)缸座焊縫采用名義應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定，標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為通過有限元仿真或應(yīng)變儀測(cè)量的焊縫應(yīng)力應(yīng)該取距離焊縫焊趾1個(gè)～1.5個(gè)板厚的點(diǎn)的應(yīng)力作為該點(diǎn)的名義應(yīng)力，而且沿焊縫方向的正應(yīng)力、垂直于焊縫方向的正應(yīng)力及沿焊縫方向的剪應(yīng)力對(duì)焊縫的疲勞破壞起決定性作用，因此須分別考察三向應(yīng)力及應(yīng)力的組合效應(yīng)。焊縫的疲勞強(qiáng)度評(píng)定程序如圖3所示。

圖2 制動(dòng)缸座的有限元模型

圖3 焊縫的疲勞強(qiáng)度評(píng)定程序

2.1 焊縫疲勞分析的控制參數(shù)

DVS1612—2009對(duì)焊接接頭的疲勞評(píng)估需要對(duì)三向應(yīng)力分別進(jìn)行評(píng)估，最后還要考察三向應(yīng)力的組合效應(yīng)。

各向應(yīng)力的材料利用度應(yīng)滿足式(1)的要求：

(1)

其中:σ∥為沿焊縫方向的正應(yīng)力；σ⊥為垂直焊縫方向的正應(yīng)力；τ為沿焊縫方向的剪應(yīng)力；σ∥.zul為沿焊縫方向的許用正應(yīng)力；σ⊥.zul為垂直焊縫方向的許用正應(yīng)力；τzul為沿焊縫方向的許用剪應(yīng)力；Uak.∥為沿焊縫方向正應(yīng)力的材料利用度；Uak.⊥為垂直于焊縫方向正應(yīng)力的材料利用度；Uak.τ為沿焊縫方向剪應(yīng)力的材料利用度。

處于多軸應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，其組合應(yīng)力的材料利用度Uak還應(yīng)滿足式(2)的要求：

(2)

2.2 焊縫分級(jí)及許用應(yīng)力的確定

DVS1612—2009將焊縫正應(yīng)力的疲勞特性分為9個(gè)等級(jí)，從B到F2；母材正應(yīng)力的疲勞特性分為2個(gè)等級(jí)，從A到AB;焊縫剪應(yīng)力的疲勞特性分為5個(gè)等級(jí)，從G到H-;母材剪應(yīng)力的疲勞特性只有一個(gè)等級(jí)，即G+。標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)給出了相應(yīng)許用應(yīng)力的計(jì)算公式及許用應(yīng)力與循環(huán)應(yīng)力比Rτ的Moore-Kommers-Japer圖。材料Q235的許用正應(yīng)力σzul與循環(huán)應(yīng)力比Rσ及剪應(yīng)力τzul與循環(huán)應(yīng)力比Rτ的MKJ圖分別如圖4、圖5所示。圖5中的S235和S355為德國(guó)鋼牌號(hào)，對(duì)應(yīng)我國(guó)的Q235和Q345。

3 制動(dòng)缸座焊縫的疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

通過讀取ANSYS的計(jì)算結(jié)果，編寫后處理程序，對(duì)疲勞計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，制動(dòng)缸座關(guān)于XOZ平面對(duì)稱，去除對(duì)稱節(jié)點(diǎn)可以得到制動(dòng)缸座焊縫材料利用度最大的10個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)、材料利用度及坐標(biāo)位置，如表2所示，疲勞強(qiáng)度最薄弱部位在圖6中的黑色圓圈。

圖4 DVS1612標(biāo)準(zhǔn)給出的正應(yīng)力的Moore-Kommers-Japer疲勞曲線

圖5 DVS1612標(biāo)準(zhǔn)給出的剪應(yīng)力的Moore-Kommers-Japer疲勞曲線

節(jié)點(diǎn)號(hào)材料利用度坐標(biāo)位置(mm)Uak．∥Uak．⊥Uak．τUakXYZ2570960．04790．93050．16800．8518153．51102．34276．002214250．08640．93850．08400．8143133．7691．00-10．002486960．88510．20030．19080．6826169．00106．44255．702486970．77850．42310．32830．5635169．00106．44251．642510590．06290．71130．08020．5610151．6491．30276．002508070．35070．47530．03770．5170155．1792．20276．002214320．03530．71130．09370．4909131．0091．00-10．002486980．59310．59740．35320．4790169．00106．44247．582486950．78100．25310．00130．4763169．00106．44259．762336060．02780．68540．13120．4687137．8491．00-10．00

圖6 制動(dòng)缸座焊縫疲勞強(qiáng)度最薄弱的部位

從表2的結(jié)果可以得出：制動(dòng)缸座焊縫每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的各個(gè)應(yīng)力分量的材料利用度均小于1，總的材料利用度也小于1.1。根據(jù)DVS1612—2009可知，貨車制動(dòng)缸座焊縫的疲勞強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

(1) 制動(dòng)缸座承受著復(fù)雜的變載荷作用，在長(zhǎng)期的服役過程中焊縫是其疲勞薄弱部位，因此必須通過仿真或者試驗(yàn)進(jìn)行焊縫疲勞強(qiáng)度校核和評(píng)估。

(2) 根據(jù)DVS1612—2009標(biāo)準(zhǔn)，使用名義應(yīng)力法對(duì)貨車制動(dòng)缸座焊縫進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估，評(píng)估結(jié)果表明制動(dòng)缸座的焊縫疲勞強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其疲勞強(qiáng)度最薄弱的部位在前法蘭盤和座板連接處，在制造及使用過程中應(yīng)給予重視。

(3) 分析結(jié)果表明，制動(dòng)缸座的焊縫在進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)可滿足25萬(wàn)次的耐久試驗(yàn)，但在實(shí)際使用過程中載荷工況更加復(fù)雜，因此仿真分析只可作為參考。

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