蔣 奎, 劉 衛(wèi)

(1 河北軌道運輸職業(yè)技術學院, 石家莊 052165；2 中車山東機車車輛有限公司， 濟南 250022)

軸箱是鐵路車輛輪對與側(cè)架或構架連接在一起的裝置，能夠?qū)⑤唽ρ劁撥壍臐L動轉(zhuǎn)化為車體沿線路的平動，并起著承受車輛質(zhì)量、傳遞各方作用力的作用[1]。軸箱與輪對之間采用軸承進行連接，而軸箱與側(cè)架或構架之間一般由高度不等的內(nèi)、外圈彈簧構成的兩級剛度彈簧組連接。當作用在軸箱彈簧上的總載荷小于在空車運行下不發(fā)生動載荷引起剛度突變的某設計值時，僅由彈簧剛度較小的外圈彈簧承載，而當作用在軸箱彈簧上的總載荷大于此設計值時，則由內(nèi)、外圈彈簧并聯(lián)承載。軸箱體是軸箱裝置的主要承載部件，也是軸箱發(fā)生疲勞破壞的薄弱環(huán)節(jié)，因此準確對軸箱體進行疲勞強度評估具有重要意義。

近年來，國內(nèi)鐵路貨車企業(yè)在歐洲鐵路貨車整車、大部件和配件市場進行了積極的開拓。但出口歐洲鐵路貨車往往需要進行項目的研發(fā)和認證，進而在鐵路車輛疲勞強度評估方面提出了新的要求。目前，基于DVS1612等歐洲標準的車體、轉(zhuǎn)向架等焊接結構的疲勞強度評估應用較為成熟，但對于鐵路車輛鑄件的疲勞強度評估還有一些問題需要解決，特別是缺少相應材料的S-N曲線，往往造成鑄件的疲勞評估無法進行。Y25型轉(zhuǎn)向架是法國鐵路部門研制出的一種采用焊接構架和第一系軸箱懸掛的鐵路貨車轉(zhuǎn)向架[1]。Y25型轉(zhuǎn)向架在歐洲運營多年且結構成熟，將自主研發(fā)的轉(zhuǎn)向架結構與其對比分析具有重要參照意義。文中以貨車軸箱體為研究對象，采用FKM標準對Y25轉(zhuǎn)向架軸箱體和自主研發(fā)Y33A轉(zhuǎn)向架軸箱體進行疲勞強度評估和對比，從而驗證Y33A轉(zhuǎn)向架軸箱體結構設計的合理性，進而為鐵路貨車鑄件的疲勞強度評估和認證提供一種方法。

1 基于FKM標準的鑄件疲勞強度評估

1.1 FKM標準簡介

《Analytical Strength Assessment of Components in Mechanical Engineering》標準是由德國機械工程研究委員會(FKM)編制的，簡稱FKM標準。該標準適用于機械工程及相關工業(yè)領域的部件，更確切地說適用于銑削或鍛造鋼、不銹鋼、鑄鐵以及鋁合金或鑄鋁合金等材料的焊接和非焊接構件的疲勞問題，同時考慮了大多數(shù)對構件強度(靜態(tài)和動態(tài))產(chǎn)生影響的因素(表面狀況、殘余應力、結構細節(jié)等)，使用利用度對焊接和非焊接構件的疲勞問題進行評估，對于有限和無限壽命階段都可以獲得相應的數(shù)值。

FKM標準中可以采用名義應力法和局部應力法進行強度評價。名義應力法適用于一維或二維部件，而局部應力法則適用于一維、二維和三維部件。此外，如果應力是由有限元法或邊界元法計算得到；或存在不完全定義的橫截面或截面形狀,或應力集中系數(shù)或疲勞缺口系數(shù)不明確,或有關考慮脆性材料的靜強度評估，則必須采用局部應力法進行評估[2]。

另外，F(xiàn)KM標準中將強度評估又分為非焊接和焊接結構這兩種類型。對于非焊接結構，F(xiàn)KM標準中考慮了構件的使用環(huán)境、檢修情況、構件材料、表面粗糙度、表面處理、殘余應力、應力梯度和載荷情況等影響因素[3]。對于焊接結構，F(xiàn)KM標準除了考慮非焊接結構的影響因素外，還考慮焊接接頭細分類別(FAT值)和板厚的影響因素，其與國際焊接協(xié)會IIW標準提供的參數(shù)類似：焊接接頭疲勞等級(FAT)根據(jù)不同的焊接接頭結構形式和疲勞裂紋出現(xiàn)的位置(焊趾或焊跟)選擇；板厚因子根據(jù)焊接接頭類型和焊接件厚度確定。

1.2 FKM鑄件疲勞評估過程

FKM標準中鑄件的疲勞評估過程包括：①采用有限元法得出鑄件在疲勞載荷作用下的結構應力，并計算出被評估點和相鄰評估點的平均應力、應力幅值以及應力梯度；②由材料屬性參數(shù)和設計參數(shù)等計算出部件對稱循環(huán)下的疲勞極限；③由部件對稱循環(huán)的疲勞極限推導出部件平均應力下的部件疲勞極限；④修正非焊接結構的部件恒幅S-N曲線得到部件的變幅疲勞強度；⑤由部件的應力幅值、變幅疲勞強度因子和安全系數(shù)計算得到部件疲勞評估的利用度[2]。若計算得到的利用度不大于1則滿足標準要求，否則不滿足標準要求。另外，若存在多個疲勞工況的情況，需分別計算各個工況的利用度，最后將各利用度相加以確定總的利用度。

2 軸箱體疲勞強度評估

2.1 有限元模型

軸箱由軸箱體、軸箱前蓋、軸箱后蓋和軸承等組成。其中，軸箱體作為主要承載件，一般為內(nèi)孔貫通式圓筒形。文中自主研發(fā)的Y33A轉(zhuǎn)向架軸箱體是在Y25轉(zhuǎn)向架軸箱體結構的基礎上進行的修改設計。Y33A轉(zhuǎn)向架軸箱體與Y25轉(zhuǎn)向架軸箱體結構基本相同，其最主要的修改在于由限界原因造成Y33A轉(zhuǎn)向架軸箱體底部面升高，從而導致彈簧支撐部位變薄。Y25轉(zhuǎn)向架軸箱體模型和Y33A轉(zhuǎn)向架軸箱體模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 Y25轉(zhuǎn)向架軸箱體模型

采用實體單元建立Y25轉(zhuǎn)向架軸箱體[4]和Y33A轉(zhuǎn)向架軸箱體的有限元模型，其網(wǎng)格數(shù)量分別為 62 856和61 925。這兩種軸箱體采用的材料分別為EN260-400-M和G24Mn6+QT3，這兩種材料都屬于鑄鋼。按照FKM標準非焊接件疲勞強度評估流程需定義鑄件各屬性參數(shù)[2,5]，參閱FKM標準得到這兩種材料下的屬性參數(shù)如表 1 所示。

圖2 Y33A轉(zhuǎn)向架軸箱體模型

表1 FKM標準評估過程中鑄鋼屬性參數(shù)

2.2 軸箱體邊界條件

軸箱載荷是在軌道貨車運營過程中產(chǎn)生的，包括車輛載重、車體自重和轉(zhuǎn)向架彈簧上質(zhì)量等在重力加速度下產(chǎn)生的垂向載荷，以及軌道貨車在過載情況下(垂向和橫向上)，轉(zhuǎn)向架框架承受來自1%軌道扭轉(zhuǎn)的載荷[6]。因此，軸箱體的疲勞損傷主要是由于垂向載荷、橫向載荷和扭轉(zhuǎn)載荷造成的。螺栓預緊力會影響軸箱蓋靜強度和疲勞強度的評估，但對軸箱體的疲勞強度評估影響不大。根據(jù)EN 13749-2011標準計算得到這兩種軸箱下的軸箱體疲勞強度工況如表2。

表2 軸箱體疲勞強度工況

在軸箱體進行有限元分析時，將軸承的內(nèi)圈施加約束，在軸箱彈簧座施加垂向載荷，在軸箱橫向止擋上施加橫向載荷[3]。

2.3 FKM疲勞分析結果評估

通過有限元的方法計算得到軸箱體在疲勞工況下各節(jié)點3個方向的應力結果后，將依照FKM標準進行軸箱體的疲勞分析結果評估。軸箱體載荷分布和結構具有對稱性，且其疲勞破壞最可能發(fā)生的薄弱點在彈簧座與橫向止擋連接的圓弧上，因而在設計初步階段只需提取軸箱體上4個圓弧上的最大應力點(通常也是整個軸箱體結構的最大應力點)進行評估即可。以下內(nèi)容將闡述軸箱體按照FKM標準進行評估的方法和流程。

(1)平均應力、應力幅值和應力梯度[2]

對軸箱體疲勞強度進行評估時，分別提取圓弧上應力最大的被評估點和相鄰評估點的3個方向主應力，計算每個方向主應力的平均應力和應力幅值，以及相對于相鄰評估點的應力梯度。計算式見式(1)～式(3) 所示。

(1)

(2)

(3)

式中：i=1，2，3。Δs為參考點與表面下鄰近點之間的距離，文中取值4.25 mm。σi，m和σi，a分別為評估點的某個方向主應力的平均應力和應力幅值；σXi，a為相鄰評估點的某個方向主應力的應力幅值；σBi，a為被評估點的某個方向主應力的應力幅值。提取Y25轉(zhuǎn)向架軸箱體和Y33A轉(zhuǎn)向架軸箱體有限元計算結果的最大應力被評估點和相鄰評估點的3向主應力，按照FKM標準計算得到的參數(shù)值見表3所示。

表3 被評估點和相鄰評估點的3向主應力幅值，應力梯度

(2)部件對稱循環(huán)下的疲勞極限[2]

由材料屬性參數(shù)按式(4)計算出材料對稱循環(huán)疲勞極限，并與設計因子按式(6)分別計算出部件在3個方向分量下的對稱循環(huán)疲勞極限。設計因子的計算方法見式(5)。部件對稱循環(huán)疲勞極限及相關參數(shù)計算見表4。

σW，zd=fW，σ·Rm

(4)

(5)

σi,WK=σW,zd/KWK,σi

(6)

式中：i=1，2，3。

(3) 部件平均應力下的疲勞極限[2]

由部件對稱循環(huán)下的疲勞極限按照式(7)得出部件平均應力下的疲勞極限。部件平均應力下的疲勞極限及相關參數(shù)計算見表5。

σi,AK=KAK,σi·KE，σ·Ki，WK

(7)

式中：i=1，2，3。

(4) 部件變幅疲勞極限[2]

由軸箱體的設計壽命，修正非焊接結構的部件恒幅S-N曲線，按式(8)得到部件的變幅疲勞極限。部件變幅疲勞極限及相關參數(shù)計算見表6。

σi，BK=KBK，σi·σMi，AK

(8)

式中：i=1，2，3。

(5) 部件綜合利用度[2]

由部件在疲勞工況下的計算應力幅值、部件平均應力下的疲勞極限和總安全因子計算得到疲勞評估的利用度。相關計算方法見式(9)～式(13)。部件綜合利用度及相關參數(shù)計算見表7。

(9)

(10)

aNH=MAX(|aBK，σ1|，|aBK，σ2|，|aBK，σ3|)

(11)

(12)

aBK，Sv=q·aNH+(1-q)·aGH≤1

(13)

式中：i=1，2，3；對于鑄鋼件q取值為0。

表4 部件對稱循環(huán)疲勞極限及相關參數(shù)計算

表5 部件平均應力下的疲勞極限及相關參數(shù)計算

表6 部件變幅疲勞極限及相關參數(shù)計算

表7 部件綜合利用度及相關參數(shù)計算

從表7可以看出，按照 FKM標準分別對Y25轉(zhuǎn)向架軸箱體和Y33A轉(zhuǎn)向架軸箱體進行疲勞強度評估， 其利用度均小于1，疲勞強度滿足標準要求。且Y33A轉(zhuǎn)向架軸箱體疲勞評估的利用度小于Y25轉(zhuǎn)向架軸箱體，相對而言，Y33A轉(zhuǎn)向架軸箱體的疲勞強度也是有保證的。

對于Y25型轉(zhuǎn)向架這種型式的軸箱體，其疲勞工況的最大應力點通常發(fā)生在彈簧座與橫向止擋連接的圓弧上。一般來說，只要最大應力點的疲勞強度評估滿足FKM標準要求，其他節(jié)點的疲勞強度評估也將滿足要求。因此，在設計初步階段只需評估最大應力點，而在最終設計時可以考慮多評估一些應力點進行驗證確認。

目前，出口歐洲的機械產(chǎn)品往往涉及嚴格的產(chǎn)品設計認證和試驗認證，產(chǎn)品認證涉及認證費用和認證時間，提高產(chǎn)品認證的通過率意味著降低研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期。以運營成熟的Y25轉(zhuǎn)向架軸箱體為標桿，在Y33A轉(zhuǎn)向架軸箱體設計過程中利用對標的思路，采用與成熟產(chǎn)品相同的仿真邊界條件和結果評估方法，能夠獲得一個對比的量化結果，對新產(chǎn)品仿真分析結果也有了清晰的評價。同時，提交的仿真評估認證報告易于被認證公司接受，也能提高產(chǎn)品通過試驗認證的概率。

3 結束語

文中采用EN 13749標準規(guī)定的載荷對Y25轉(zhuǎn)向架軸箱體和Y33A轉(zhuǎn)向架軸箱體進行疲勞工況下的有限元分析，并闡述了FKM標準對鑄件軸箱體有限元分析結果進行疲勞強度評估的評估流程和計算方法。通過分析，可得以下結論：

(1)標準中提供了一種基于耐久極限法的非焊接件疲勞強度評估方法，解決了往往缺少S-N曲線無法進行疲勞強度評估的問題。

(2)對于Y25型轉(zhuǎn)向架這種型式的軸箱體，其疲勞工況的最大應力點通常發(fā)生在彈簧座與橫向止擋連接的圓弧上。一般來說，只要最大應力點的疲勞強度評估滿足FKM標準要求，其他節(jié)點的疲勞強度評估也將滿足要求。

(3)以運營成熟的Y25轉(zhuǎn)向架軸箱體為標桿，在自主研發(fā)的Y33A轉(zhuǎn)向架軸箱體設計過程中利用對標的思路，并且通過對標分析，采用與成熟產(chǎn)品相同的仿真邊界條件和結果評估方法，能夠獲得一個對比的量化結果，對新產(chǎn)品仿真分析結果也有了清晰的評價。同時，提交的仿真評估認證報告易于被認證公司接受，也能提高產(chǎn)品通過試驗認證的概率。