鄧學暉，王 靖

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

0 引言

轉向架鋼彈簧是動車組的關鍵部件，在保證列車的安全運行中發(fā)揮著重要作用。在使用過程中，由于彈簧異常磨損和磕碰，會引起接觸線磨損、表面磨損、表面磕碰等表面缺陷。由于彈簧一直處于高強度的交變載荷的作用，隨著動車組列車運營里程的不斷增加，磨痕深度會隨之增加，因此校核轉向架鋼彈簧在不同深度磨痕下的疲勞壽命十分有必要。本文針對2種典型的磨痕形式，選取了不同磨痕深度的轉向架鋼彈簧，通過有限元仿真的方法對其進行疲勞分析，評估其理論工作壽命；并加工同等磨痕深度的轉向架鋼彈簧進行試驗，對其實際工作壽命進行驗證。

1 有限元理論計算基礎

轉向架鋼彈簧在實際運營中受交變載荷作用，為方便分析，本文采用工程中廣泛應用的Miner理論[1]，對鋼彈簧的疲勞壽命進行估算。Miner理論是線性疲勞累積損傷理論，該理論認為，循環(huán)載荷可對材料產生損傷，且每次循環(huán)載荷對材料產生的損傷相互獨立，且這種損傷可不斷累加使材料發(fā)生疲勞破壞。材料的損傷程度與循環(huán)應力作用次數(shù)成正相關。載荷可分為i級循環(huán)應力，則不同級別的應力損傷相互獨立，將各級應力損傷進行疊加可得材料總損傷，若損傷超過額定限度則材料開始發(fā)生破壞。

在Miner理論的基礎上，采用名義應力法[2-3]的疲勞分析方法，對鋼彈簧進行分析。名義應力法是在材料或者零部件名義應力和集中系數(shù)的基礎上，利用零部件S-N曲線和疲勞累積損傷理論進行疲勞壽命計算的方法。名義應力法適用于高周疲勞，且零部件的變形處在彈性范圍內的疲勞分析。

本文采用常見的估算材料疲勞極限的經驗模型，即Goodman直線模型：

(1)

σa為材料所受循環(huán)載荷的應力幅值；σm為循環(huán)載荷的平均應力值；σ-1為在應力比為-1循環(huán)載荷時材料的疲勞極限；σb為材料的強度極限。

對于本文的彈簧模型，整體承受單向的垂向變化載荷，而彈簧截面為螺旋線上升，故實際截面上為剪切受力為主，因此在疲勞分析中σ取剪切應力shear stress。

2 有限元模型及仿真分析

2.1 模型結構說明

據(jù)實際需求，研究對象確定為CRH380BL高速動車組轉向架鋼彈簧。鋼彈簧材料為51CrV4，鋼彈簧主要結構尺寸如表1所示。

表1 螺旋彈簧基本參數(shù)

對于轉向架鋼彈簧的表面磨痕，內簧磨痕主要為外側斜切式磨痕，屬于表面磨損，主要是由于彈簧在使用過程中存在振動、橫向作用力等因素使其與周圍金屬發(fā)生接觸而導致的，一般出現(xiàn)在內簧的第2圈外側上。外簧磨痕主要為接觸線磨痕，主要出現(xiàn)在支撐圈與工作圈之間，由于支撐圈與工作圈的間距要小于工作圈間距，使其在沖擊力情況下出現(xiàn)異常磨損。2種磨痕位置及尺寸如圖1所示。

圖1 內/外簧磨痕位置及尺寸說明

實際檢修中發(fā)現(xiàn)，彈簧磨痕深度一般在0.2～0.5 mm之間。為進一步研究鋼彈簧可接受的磨痕深度，本文擬分析更大磨損深度的鋼彈簧。綜上，選取如表2所示的不同磨痕深度的彈簧模型進行有限元分析，建立磨損彈簧有限元模型，添加材料特性參數(shù)及彈簧載荷邊界條件，計算彈簧的疲勞壽命[4]。

表2 磨損鋼彈簧模型 mm

2.2 有限元模型

本文分析的彈簧有限元模型分為原始模型和磨損彈簧模型。原始模型由外簧、內簧、頂部加載圓盤組成，采用四面體單元劃分，彈簧單元平均尺寸為3.0 mm，頂部加載圓盤單元尺寸由3.0 mm過渡到15.0 mm。磨損彈簧模型在原始模型基礎上，在磨痕位置做了網格加密處理，磨痕處網格平均尺寸為1.5 mm。有限元模型如圖2和圖3所示。

圖2 原始彈簧模型

圖3 磨痕處網格加密

2.3 彈簧材料特性

彈簧材料特性如表3所示。

表3 彈簧的材料特性

2.4 彈簧載荷邊界說明

根據(jù)試驗狀態(tài)，對彈簧模型采用垂向加載，約束彈簧底端，頂端加載對應載荷。載荷大小根據(jù)標準取值[3]，對于垂向靜載荷Fj，外簧取47 133 N，內簧取27 668 N，合力74 801 N；k為動載系數(shù)，擬取為0.3；加載頻率根據(jù)情況取1 Hz。載荷加載示意如圖4所示。

圖4 載荷加載示意

2.5 仿真結果

建立磨損彈簧的有限元模型并進行靜力和疲勞計算，得到如圖5～圖10所示的仿真結果。

觀察圖5剪切應力曲線，可以看到當磨痕深度較小時，內簧受到的剪切應力與無磨損狀態(tài)差別不大。磨痕深度小于等于4.0 mm時(篇幅限制，只給出4.0 mm應力云圖)，剪切應力與疲勞均無明顯變化；磨痕深度大于4.0 mm時，剪切應力明顯增大，且最大應力位置由第2圈內側轉移到磨痕處對應的內側。此時最小疲勞壽命位置也由第2圈內側轉移到磨痕面附近。壽命位置轉移之后，隨著磨痕深度的增加，疲勞壽命大大減小。

觀察圖8剪切應力曲線，可以看到外簧磨痕深度較小時，外簧剪切應力與無磨損狀態(tài)差別不大。磨痕深度大于1.2 mm時，最小疲勞壽命位置會發(fā)生轉移，轉移后彈簧疲勞壽命隨著磨痕深度的增加明顯減??；外簧磨痕深度大于3.0 mm時，受到的剪切應力明顯增加，最大應力位置轉移至磨損面附近。

圖5 內簧仿真結果

圖6 內簧磨損深度4.0 mm時最大應力點

圖7 內簧磨損深度4.0 mm時壽命位置

圖8 外簧仿真結果

圖9 外簧磨損深度3.0 mm時最大應力點

圖10 外簧磨損深度4.0 mm時最大應力點

3 試驗驗證

為了判斷表面磨痕深度對鋼彈簧剩余壽命的影響，本文以文獻[5]為依據(jù)，對不同深度磨痕的鋼彈簧進行疲勞試驗，得到不同深度磨痕的鋼彈簧的剩余可工作次數(shù)。試驗中每隔20萬次利用磁粉檢測彈簧是否出現(xiàn)裂紋及斷裂，如出現(xiàn)則判定鋼彈簧失效，該組試驗終止，如工作至合格標準次數(shù)仍未失效，則停止試驗，認定該情況下鋼彈簧仍滿足合格標準[6]；本文中，在三級修彈簧(運營120萬km)和四級修彈簧(運營240萬km)的基礎上，人為加工磨損深度，并施加文獻[5]所述的載荷來進行試驗。

3.1 試驗設備

試驗設備為西南交通大學大型轉向架構架疲勞試驗臺，該系統(tǒng)由機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、協(xié)調加載控制系統(tǒng)和通用測試系統(tǒng)組成。主要參數(shù)如表4所示。

表4 疲勞試驗臺部分作動器主要技術指標

3.2 試驗結果

分析試驗結果，得到如表5所示數(shù)據(jù)。

表5 彈簧實際剩余工作次數(shù)

對比彈簧實際剩余工作次數(shù)和仿真結果，剩余工作次數(shù)與磨痕深度的數(shù)據(jù)基本與仿真結果一致。

觀察內簧(圖11)斷裂處和外簧(圖12)斷裂處發(fā)現(xiàn)，內簧裂紋是從磨痕最深處側開始的，然后再逐步向鋼彈簧線徑內側撕裂，最后斷裂；外簧接觸線斷裂裂紋是從磨痕最深處側開始的，然后再逐步向鋼彈簧線徑另一側撕裂，最后斷裂。斷裂主要分為2個區(qū)域，分別為疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)，即彈簧斷裂模式屬于疲勞斷裂，斷裂起源為彈簧受損處最深處表面，與仿真結果吻合。

圖11 內簧斷裂彈簧斷口分析

圖12 外簧斷裂彈簧斷口分析

4 結束語

本文中，仿真分析和試驗結果基本吻合，分析磨痕深度對鋼彈簧壽命的影響，主要規(guī)律如下：

a.當磨損深度在0.2～0.5 mm之間時，對鋼彈簧薄弱節(jié)點平均應力和應力幅影響不大，因此單次載荷加載的疲勞損傷基本不變，使得內簧和外黃疲勞壽命基本不變。

b.對于內簧，磨損深度大于4.0 mm時，最大應力點會發(fā)生轉移，由第2圈外側轉移到磨痕位置附近；最小疲勞壽命位置也轉移到磨痕附近。對于外簧，磨損深度大于1.2 mm時，最小疲勞壽命位置會轉移到磨痕位置附近；磨損深度大于3.0 mm時，最大應力點會發(fā)生轉移。轉移后彈簧的疲勞壽命隨著磨損深度的增加而顯著減少。究其原因，大的磨損深度下，單次載荷循環(huán)下的平均應力和應力幅增大明顯，導致單次載荷加載的疲勞損傷越來越大，使得疲勞壽命越來越短。