轉(zhuǎn)8A型轉(zhuǎn)向架側(cè)架疲勞壽命分析

1、試驗(yàn)研究鐵道車(chē)輛 第 41 卷第 10 期 2003 年 10 月文章編號(hào): 100227602 (2003) 1020011206轉(zhuǎn) 8A型轉(zhuǎn)向架側(cè)架疲勞壽命分析劉德剛1 , 楊?lèi)?ài)國(guó)2, 李鐵3(1. 四方車(chē)輛研究所 技術(shù)研究部, 山東 青島 266031;2. 齊齊哈爾鐵路車(chē)輛 (集團(tuán)) 有限責(zé)任公司 技術(shù)中心, 黑龍江 齊齊哈爾 161002;3. 沈陽(yáng)鐵路局 丹東車(chē)輛段, 遼寧 丹東 118000)摘 要: 介紹了用有限元技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn) 8A 型轉(zhuǎn)向架側(cè)架進(jìn)行疲勞壽命分析的過(guò)程和結(jié)果, 并對(duì)側(cè)架疲勞壽命分析提出 了幾點(diǎn)看法。關(guān)鍵詞: 貨車(chē)轉(zhuǎn)向架; 轉(zhuǎn) 8A 型; 側(cè)架; 疲勞壽命; 分析中圖

2、分類(lèi)號(hào): U 270. 331+ . 8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B目前, 我國(guó)鐵路貨車(chē)大量使用轉(zhuǎn) 8A 型轉(zhuǎn)向架, 其 側(cè)架是鑄造件, 運(yùn)用過(guò)程中經(jīng)常產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。隨 著列車(chē)運(yùn)行速度的提高, 側(cè)架疲勞問(wèn)題日益突出, 有必 要對(duì)其疲勞性能進(jìn)行進(jìn)一步的研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和疲勞理論的開(kāi)展, 對(duì)側(cè)架這種 幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件進(jìn)行有限元分析時(shí)不再使用板殼 單元, 而是首先建立三維 CAD 模型, 更好地模擬其幾 何結(jié)構(gòu) (尤其是其局部細(xì)微部位) , 并使用高階單元來(lái) 劃分結(jié)構(gòu), 應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果也更加準(zhǔn)確。對(duì)構(gòu)件進(jìn)行疲 勞壽命研究的手段也由以往的單點(diǎn)疲勞分析開(kāi)展到與 有限元技術(shù)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)全場(chǎng)疲勞壽命分析。在進(jìn)

3、行疲勞壽命分析時(shí), 首先使用 I2D EA S 軟件 對(duì)側(cè)架進(jìn)行三維實(shí)體建模和有限元靜應(yīng)力分析, 然后 在此根底上使用 FE 2FA T IGU E 分析其疲勞壽命。1側(cè)架的有限元靜應(yīng)力分析1. 1 CAD 模型和有限元模型由于轉(zhuǎn) 8A 型轉(zhuǎn)向架側(cè)架的生產(chǎn)廠家很多, 使得 側(cè)架的幾何形狀多種多樣。 筆者選用了 1 種典型幾何收稿日期: 2003203218作者簡(jiǎn)介: 劉德剛(19722) , 男, 工程師。形狀的側(cè)架進(jìn)行分析。首先使用 I2D EA S 軟件建立側(cè)架的三維 CAD 模 型, 見(jiàn)圖 1。圖 1 轉(zhuǎn) 8A 型轉(zhuǎn)向架側(cè)架三維實(shí)體造型根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱性可知, 側(cè)架上對(duì)稱 面對(duì)稱

4、部位的位移也是對(duì)稱的。為了減少計(jì)算工作量, 只取側(cè)架的一半進(jìn)行分析, 并在一定的計(jì)算工作量基 礎(chǔ)上劃分更細(xì)的網(wǎng)格, 更好地模擬側(cè)架各部位的位移 場(chǎng)以提高計(jì)算精度。 采用 10 節(jié)點(diǎn)高階等參次參四面 體單元?jiǎng)澐钟邢拊W(wǎng)格。半個(gè)側(cè)架共劃分為 94 125 個(gè)單元, 產(chǎn)生了 167 547 個(gè)節(jié)點(diǎn)。存在應(yīng)力集中部位單元 的名義長(zhǎng)度為 2 mm , 其余部位為 16 mm。 另外, 建立 連接輪對(duì)軸線和導(dǎo)框頂面的 2 組剛性單元, 用于模擬 側(cè)架受力過(guò)程中隨軸箱一起繞輪對(duì)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。有效地抑制了車(chē)體的側(cè)滾, 提高了轉(zhuǎn)向架的臨界速度, 改善了車(chē)輛在直線上的橫向性能。4結(jié)束語(yǔ)交叉支撐型、擺動(dòng)型、謝菲爾

5、徑向型等新型提速貨 車(chē)轉(zhuǎn)向架采用的技術(shù)既提高了轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能, 又提高了易磨易損件的耐磨性, 延長(zhǎng)了轉(zhuǎn)向架的檢修 期限和使用壽命, 這些都標(biāo)志著當(dāng)前我國(guó)貨車(chē)轉(zhuǎn)向架 的整體技術(shù)性能指標(biāo)有了綜合性的提高, 從而為我國(guó)鐵路貨物列車(chē)的全面提速創(chuàng)造了條件。參考文獻(xiàn): 1 ?鐵路貨車(chē)交叉支撐轉(zhuǎn)向架?編委會(huì). 鐵路貨車(chē)交叉支撐轉(zhuǎn)向架M . 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2002. 2 潘樹(shù)平. 25 t 軸重?cái)[動(dòng)式貨車(chē)轉(zhuǎn)向架的研制J . 鐵道車(chē)輛, 2002, 40 (3) : 2326.J 王 璞. 徑向轉(zhuǎn)向架介紹J . 鐵道車(chē)輛, 2002, 40 (4) : 2526.(編輯: 李萍)鐵道車(chē)輛 第 4

6、1 卷第 10 期 2003 年 10 月單元的劃分和設(shè)置見(jiàn)圖 2。圖 2 側(cè)架的單元?jiǎng)澐趾驮O(shè)置情況實(shí)際運(yùn)行中側(cè)架承受的載荷較復(fù)雜, 有限元分析 時(shí)一般將其簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的垂向載荷和橫向載荷。 參照 TB T 13351996?鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī) 范?(以下簡(jiǎn)稱?標(biāo)準(zhǔn)?) , 在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí), 側(cè)架的垂 向載荷取 27817 kN , 橫向載荷取 7413 kN , 分別作用 在彈簧承臺(tái)與枕簧的接觸面和立柱面上。 垂向載荷作 用時(shí), 在半模型的對(duì)稱面上加對(duì)稱約束, 并約束剛性單 元下節(jié)點(diǎn)的垂向線位移自由度; 橫向載荷作用時(shí), 在半 模型的對(duì)稱面上加對(duì)稱約束, 并約束內(nèi)側(cè)導(dǎo)框面的橫 向線

7、位移自由度。1. 2線性靜態(tài)分析的應(yīng)力結(jié)果有限元分析直接給出了節(jié)點(diǎn)或單元上的 6 個(gè)應(yīng)力 分量, 還可以給出 3 個(gè)主應(yīng)力及當(dāng)量應(yīng)力。用不同的應(yīng) 力來(lái)進(jìn)行疲勞壽命分析得到的結(jié)果是不同的。 本文采 用絕對(duì)值最大主應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算。 該方法是把各個(gè)時(shí) 刻模型上任一點(diǎn)的絕對(duì)值最大主應(yīng)力構(gòu)成的應(yīng)力2時(shí) 間歷程作為疲勞壽命分析的名義應(yīng)力。 表 1 列出了側(cè) 架上疲勞損傷量最大的前 5 個(gè)節(jié)點(diǎn)及其所在部位在垂 向和橫向載荷單獨(dú)作用時(shí)的絕對(duì)值最大主應(yīng)力。 為敘 述方便, 將這些部位分別給予編號(hào): 制動(dòng)梁滑槽側(cè)的彈 簧承臺(tái)拐角部位為 C 1, 三角透視孔下邊緣為 C 2, 無(wú)滑 槽側(cè)的彈簧承臺(tái)拐角為 C 3,

8、承載鞍導(dǎo)框內(nèi)彎角為 C 4, 導(dǎo)框上部的圓孔邊為 C 5。表 1 5 個(gè)節(jié)點(diǎn)的絕對(duì)值最大主應(yīng)力kN計(jì)算結(jié)果說(shuō)明, 在相應(yīng)的載荷作用下, 側(cè)架上的應(yīng) 力水平超出?標(biāo)準(zhǔn)?中規(guī)定的材料的許用應(yīng)力。 可以這 樣認(rèn)為,?標(biāo)準(zhǔn)?中有關(guān)側(cè)架靜強(qiáng)度要求的規(guī)定是以材 料力學(xué)的有關(guān)理論為根底而制定的, 材料力學(xué)分析得 到的應(yīng)力為名義值, 而有限元分析的結(jié)果為局部值, 所 以計(jì)算結(jié)果中局部應(yīng)力集中部位的應(yīng)力往往會(huì)超出鐵 標(biāo)中規(guī)定的材料的許用應(yīng)力。另外, 有限元分析結(jié)果有時(shí)與試驗(yàn)結(jié)果之間有出 入。 筆者認(rèn)為, 除試驗(yàn)和計(jì)算誤差因素外, 還應(yīng)從 2 個(gè) 方面來(lái)解釋。 首先, 在幾何結(jié)構(gòu)方面, 有限元分析采用 的側(cè)架的

9、CAD 模型是按照?qǐng)D紙上的名義尺寸創(chuàng)立 的, 是不考慮公差的完美結(jié)構(gòu), 而實(shí)際被試的側(cè)架尺寸 與設(shè)計(jì)圖紙有差異; 另外, 在加載和約束方面兩者也存 在差異, 比方, 有限元分析可以把載荷均勻地施加到枕 彈簧座上進(jìn)行線性分析, 而試驗(yàn)時(shí)載荷通過(guò)載荷動(dòng)作 器的壓頭施加到枕彈簧座上, 在施加垂向載荷時(shí), 側(cè)架 的變形與動(dòng)作器壓頭的變形不協(xié)調(diào), 為一非線性過(guò)程。2材料和構(gòu)件的 S -N 曲線疲勞壽命分析的名義應(yīng)力法即 S 2N 法是對(duì)試驗(yàn) 數(shù)據(jù)的歸納, 沒(méi)有嚴(yán)格的理論作根底, 因此, 使用名義 應(yīng)力法不可能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。但是, 名義應(yīng)力法要求 輸入的參數(shù)較少, 具有簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn), 在工程上有著 廣

10、泛的應(yīng)用。 筆者也使用名義應(yīng)力法對(duì)側(cè)架的壽命進(jìn) 行計(jì)算。轉(zhuǎn)向架的鑄造材料原為 ZG230450, 2000 年全 路推廣使用B 級(jí)鋼。 因此, 將針對(duì)這 2 種材料來(lái)計(jì)算 側(cè)架的疲勞壽命。文獻(xiàn) 1 中介紹了 ZG230450 材料小試樣疲勞 試驗(yàn), 試樣尺寸為 7152 mm 165 mm , 其外表為精加 工, 試驗(yàn)加載頻率為 5 000 rm in, 應(yīng)力比為- 1; 文獻(xiàn) 2 中介紹了 B 級(jí)鋼材料小試樣疲勞試驗(yàn), 試樣的厚 度為 8 mm , 寬度為 16 mm , 外表為粗機(jī)加工, 試驗(yàn)頻 率為 7116 H z, 應(yīng)力比為- 1, 加載方式為 4 點(diǎn)彎曲。本 文的壽命分析使用這 2

11、 個(gè)試驗(yàn)所提供的 50%、90%、 95%、99%、99. 9% 可靠度下材料的 S 2N 曲線。材料和構(gòu)件的應(yīng)力2壽命曲線即所謂的 S 2N 曲損傷最大的170706C1176. 5435. 83176082C2149. 2846. 58181873C3148. 7529. 02196657C4137. 21- 23. 25前 5 個(gè)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)所在的部位垂向載荷單獨(dú)作用下絕對(duì)值最大主應(yīng)力橫向載荷單獨(dú)作用下絕對(duì)值最大主應(yīng)力線, 一般用Basqu in 公式來(lái)描述。 構(gòu)件的 S 2N 曲線可 由材料的 S 2N 曲線經(jīng)過(guò)疲勞強(qiáng)度降低系數(shù) K f 的調(diào)整 來(lái)得到。 由于在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中的Basqu

12、in 關(guān)系式表 示為一條直線, 可以根據(jù) 2 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值來(lái)確定這條 直線, 第 1 點(diǎn)的橫坐標(biāo)是 103 循環(huán), 縱坐標(biāo)是材料在該 點(diǎn)的循環(huán)應(yīng)力幅; 第 2 點(diǎn)的橫坐標(biāo)是 106 循環(huán), 縱坐標(biāo) 219837C 5- 158. 41- 69. 39 12是構(gòu)件在 106 循環(huán)處的條件疲勞極限。 這個(gè)值是將材 料的疲勞極限 (在 107 循環(huán)處的條件疲勞極限) 用疲勞轉(zhuǎn) 8A 型轉(zhuǎn)向架側(cè)架疲勞壽命分析 劉德剛, 楊?lèi)?ài)國(guó), 李 鐵強(qiáng)度降低系數(shù) K f 進(jìn)行調(diào)整得到的。另外, 根據(jù) E. H aibach 的MM 法那么, 將 S 2N 曲線在大于 106 循環(huán)的局部按- | b| (b 為 Ba

13、squ in 指2- | b|數(shù)) 的斜率往下延伸, 以考慮小應(yīng)力幅值循環(huán)對(duì)壽命的影響。3構(gòu)件上各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)與載荷2時(shí)間歷 程以往受計(jì)算機(jī)軟硬件水平的限制, 計(jì)算構(gòu)件的疲 勞壽命多使用等幅或分級(jí)程序載荷譜。 筆者那么直接使 用實(shí)測(cè)的載荷2時(shí)間歷程進(jìn)行壽命計(jì)算。側(cè)架是在動(dòng)載荷作用下工作的, 嚴(yán)格說(shuō)來(lái)構(gòu)件上各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)與作用在構(gòu)件上的載荷并非成線 性關(guān)系。線路的激擾頻率和車(chē)輛系統(tǒng) (各個(gè)零部件作為 剛體) 的固有頻率一般在 10 H z 以內(nèi), 使用有限元對(duì)側(cè) 架進(jìn)行模態(tài)分析可知其自振頻率都在 100 H z 以上, 遠(yuǎn) 高于線路的激擾頻率和車(chē)輛系統(tǒng)的響應(yīng)頻率 (幾到十 幾赫茲)。由振

14、動(dòng)理論可知, 在這種情況下, 側(cè)架上各部 位的響應(yīng)振幅動(dòng)力放大系數(shù)接近 1, 響應(yīng)的相位差接近 0, 可以近似地認(rèn)為輸入側(cè)架的動(dòng)載荷與其動(dòng)應(yīng)力 應(yīng)變響應(yīng)之間是同相位同頻率的, 且其幅值之比為定 值。 該值等于靜載荷與靜應(yīng)力應(yīng)變之間的比例系數(shù), 這就是所謂的準(zhǔn)靜態(tài)法。這樣, 計(jì)算側(cè)架上各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)時(shí), 就可以 根據(jù)靜態(tài)線性疊加的概念, 用式 (1) 計(jì)算構(gòu)件上各點(diǎn) ( 有限元模型上的節(jié)點(diǎn)) 的應(yīng)力分量2時(shí)間歷程而不必 進(jìn)行瞬態(tài)分析, 大大減少了計(jì)算工作量。nx y ( t) = 2 P i ( t) ix y st P ist(1)1式中: x y ( t) 構(gòu)件上任何一點(diǎn)應(yīng)力分量2時(shí)間歷

15、程;P i ( t) 施加在構(gòu)件上第 i 個(gè)載荷的載荷2時(shí)間 歷程 (載荷譜) ;P ist 有限元分析時(shí)第 i 個(gè)載荷的載荷值;ix y st 在第 i 個(gè)載荷單獨(dú)作用下構(gòu)件上任何 一點(diǎn)的應(yīng)力分量;n 作用于構(gòu)件上的載荷總數(shù)。 由于全路敞車(chē)和罐車(chē)的保有量最多, 所以選擇這2 種車(chē)型作為測(cè)試的對(duì)象, 獲得了在空車(chē)和重車(chē) 2 種 運(yùn)行條件下轉(zhuǎn) 8A 型轉(zhuǎn)向架側(cè)架上幾個(gè)部位的應(yīng)變譜 (測(cè)試垂向力和橫向力)。 將采集到的原始應(yīng)變數(shù)據(jù)使 用 nSoft 軟件進(jìn)行頻譜分析, 確定使用 40 H z 截止頻 率對(duì)其進(jìn)行低通濾波, 然后再乘以靜載荷與靜應(yīng)力應(yīng) 變之間的比例系數(shù)即可得到載荷2時(shí)間歷程。 用 S

16、 2N 方法計(jì)算構(gòu)件的損傷時(shí), 可以使用連續(xù)的載荷譜, 也可 以將連續(xù)的載荷譜分成假設(shè)干段分別用于計(jì)算, 再將各段的損傷相加。因此, 將原來(lái)連續(xù)的載荷譜按速度進(jìn)行 分級(jí), 每 10 km h 設(shè)一速度級(jí), 把 10 km h 90 km h 分為 9 個(gè)速度級(jí), 每個(gè)速度級(jí)中的載荷信號(hào)又按照直 線與曲線運(yùn)行里程之比約為 41 (敞車(chē)載荷信號(hào)與罐 車(chē)載荷信號(hào)之比約為 8515) 的比例進(jìn)行調(diào)制, 共獲 得了空重車(chē)分速度級(jí)載荷信號(hào) 18 段。 最終獲得的這 18 段分速度級(jí)載荷2時(shí)間歷程就可以直接用于疲勞壽 命的計(jì)算了。4 側(cè)架上各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)材料和構(gòu)件的 S 2N 曲線都是建立在單軸應(yīng)力狀 態(tài)根

17、底上的。而運(yùn)用中的側(cè)架同時(shí)承受多個(gè)載荷作用, 而且這些載荷之間并沒(méi)有確定的比例關(guān)系。 這樣就使 得側(cè)架上的各點(diǎn)處于復(fù)雜的多軸非比例應(yīng)力狀態(tài), 即 各點(diǎn)應(yīng)力的主應(yīng)力方向和各主應(yīng)力之間的比例是變化 的。為了描述構(gòu)件上某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài), 人們定義了“二 軸率的概念。所謂二軸率是指某點(diǎn)的絕對(duì)值最小主應(yīng) 力與絕對(duì)值最大主應(yīng)力之間的比值。 對(duì)承受動(dòng)載荷作 用的構(gòu)件, 其上各點(diǎn)的二軸率一般是隨著時(shí)間變化的。 在這種情況下, 描述其應(yīng)力狀態(tài)就要使用統(tǒng)計(jì)的方法 給出各點(diǎn)在各個(gè)時(shí)刻的二軸率的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。 分析 說(shuō)明, 側(cè)架上各部位二軸率的平均值在- 0118 到 0116 之間, 二軸率的標(biāo)準(zhǔn)差小于 0105,

18、這說(shuō)明側(cè)架根本處 于單軸應(yīng)力狀態(tài)。分析結(jié)果同時(shí)說(shuō)明, 側(cè)架上幾個(gè)損傷 最大部位的絕對(duì)值最大主應(yīng)力的方向角的變動(dòng)范圍為515?？梢哉J(rèn)為, 絕對(duì)值最大主應(yīng)力的方向是根本不 變的。其他速度級(jí)的載荷2時(shí)間歷程的分析結(jié)果也大致 如此。因此, 幾個(gè)損傷最大部位的應(yīng)力狀態(tài)同單向拉壓 和旋轉(zhuǎn)彎曲等小試樣的被試部位的應(yīng)力狀態(tài)是一致 的。5 非零應(yīng)力均值的修正和M iner 損傷累積準(zhǔn) 那么的應(yīng)用一般材料和構(gòu)件的 S 2N 曲線是對(duì)稱循環(huán)條件, 而 側(cè)架上任何一點(diǎn)的應(yīng)力都是非對(duì)稱循環(huán)。為此, 在計(jì)算 過(guò)程中引入 Goodm an 經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)應(yīng)力和均值進(jìn)行修 正:(S a S n ) + (S m S u ) =

19、1(2)式中: S a 應(yīng)力幅度;S n 循環(huán)應(yīng)力均值為零時(shí)的應(yīng)力幅;S m 應(yīng)力均值;S u 材料的拉伸極限。 使用分速度級(jí)載荷譜對(duì)側(cè)架的壽命進(jìn)行計(jì)算時(shí),先求得每種速度級(jí)下車(chē)輛每運(yùn)行單位里程 (取為 1 萬(wàn)13鐵道車(chē)輛 第 41 卷第 10 期 2003 年 10 月km ) 側(cè)架的損傷量, 再將各速度級(jí)的損傷量分別乘以 各速度級(jí)的比重 (某速度級(jí)的比重是指車(chē)輛以該速度 運(yùn)行的里程數(shù)占運(yùn)行總里程的百分比) 后求和再取倒 數(shù)就可以得到側(cè)架的壽命, 見(jiàn)式 (3) :nL = 12 D i P i(3)i= 1式中: i 各個(gè)速度級(jí);n 最高運(yùn)行速度級(jí);D i 第 i 級(jí)速度級(jí)運(yùn)行單位里程發(fā)生的損

20、傷 量, (萬(wàn) km ) - 1;P i 第 i 級(jí)速度級(jí)的比重;L 構(gòu)件的壽命, 萬(wàn) km。 隨著車(chē)輛運(yùn)營(yíng)速度的不斷提高, 各個(gè)速度級(jí)的比重也在不斷變化。在線路條件、軸重和車(chē)輛懸掛根本不 變的情況下, 計(jì)算不同的運(yùn)營(yíng)速度下側(cè)架的壽命只需 變化一下式 (3) 中的 P i 值就可以了, 無(wú)需運(yùn)行疲勞壽 命分析程序。6 計(jì)算結(jié)果分析結(jié)果說(shuō)明, 空車(chē)運(yùn)行對(duì)側(cè)架產(chǎn)生的損傷極小, 可以忽略不計(jì)。 本文將重點(diǎn)分析重車(chē)運(yùn)行時(shí)各個(gè)速度 級(jí)下側(cè)架的損傷和壽命。6. 1 一定存活率和一定疲勞強(qiáng)度降低系數(shù)時(shí)側(cè)架疲 勞壽命計(jì)算結(jié)果分析在對(duì)側(cè)架疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算時(shí), 可靠度取 95%。 參照美國(guó)的有關(guān)資料, 考慮到我國(guó)

21、的實(shí)際情況, 將疲勞 強(qiáng)度降低系數(shù)取為 1155。由于B 級(jí)鋼試樣的尺寸、外表狀態(tài)及加載方式與ZG230450 試樣不同, 以 ZG230450 試樣為參照標(biāo) 準(zhǔn), 將 B 級(jí)鋼試樣看作一個(gè)構(gòu)件, 計(jì)算其疲勞強(qiáng)度降 低系數(shù), 以此來(lái)推算 B 級(jí)鋼側(cè)架的疲勞強(qiáng)度降低系 數(shù)。B 級(jí)鋼試樣的斷面為矩形且有效尺寸較大, 參照 有關(guān)資料, 尺寸系數(shù)取 0182, 外表加工系數(shù)取 0188。綜合考慮尺寸系數(shù)與外表加工系數(shù), 將B 級(jí)鋼試 樣的疲勞強(qiáng)度降低系數(shù)取為 11386。假設(shè) ZG230450 側(cè) 架的疲勞強(qiáng)度降低系數(shù)取 1155, 那么 B 級(jí)鋼側(cè)架的疲勞 強(qiáng)度降低系數(shù)應(yīng)取 11118。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明

22、, 在不同的速度級(jí)下, 側(cè)架上的損傷 強(qiáng)弱分布是固定的, 所繪制的損傷分布圖見(jiàn)圖 3、圖 4。 圖中給出了重載條件下車(chē)輛以 60 km h 速度級(jí)運(yùn)行 15189 km 時(shí) ZG230450 側(cè)架上各個(gè)部位產(chǎn)生的損 傷量。 損傷較為嚴(yán)重的部位依次為制動(dòng)梁滑槽側(cè)的彈 簧承臺(tái)拐角、三角透視孔下邊緣、無(wú)滑槽側(cè)的彈簧承臺(tái) 拐角、承載鞍導(dǎo)框內(nèi)彎角、導(dǎo)框上部的圓孔邊。表 2 列14出了車(chē)輛每運(yùn)行 1 萬(wàn) km 這 5 個(gè)部位的損傷量。B 級(jí) 鋼側(cè)架的損傷分布規(guī)律與此相同。圖 3 60 km h 速度級(jí)運(yùn)行 15189 km 時(shí)彈簧 承臺(tái)拐角及三角透視孔處產(chǎn)生的對(duì)數(shù)損傷量圖 4 60 km h 速度級(jí)運(yùn)行

23、15189 km時(shí)導(dǎo)框內(nèi)彎角處產(chǎn)生的對(duì)數(shù)損傷量表 2 側(cè)架 5 個(gè)部位的損傷量損傷最大的前 5 個(gè)節(jié)點(diǎn)損傷量(萬(wàn) km ) - 1) 1707064. 781 510- 31760827. 674 210- 41818732. 522 610- 41966571. 316 210- 42198378. 154 110- 5圖 5 繪制了 ZG230450 側(cè)架和B 級(jí)鋼側(cè)架上滑 槽側(cè)彈簧承臺(tái)拐角處的損傷量隨速度級(jí)變化的關(guān)系。 從圖 5 可以看出, 隨著運(yùn)行速度的變化, 損傷量波動(dòng)較 大。以 ZG230450 側(cè)架為例, 當(dāng)速度從 20 km h 提高 到 40 km h 時(shí), 每運(yùn)行萬(wàn)公里所產(chǎn)

24、生的損傷量卻由 211610- 4 提高到 612710- 3 , 增加了近 30 倍, 即壽命減少近 30 倍。損傷量并非隨著運(yùn)行速度的提高而單調(diào)地增加, 而是在 40 km h、60 km h 與 80 km h 左右出現(xiàn)損傷 頂峰。這有 2 個(gè)方面的原因: 一是由于車(chē)輛系統(tǒng)是一個(gè)轉(zhuǎn) 8A 型轉(zhuǎn)向架側(cè)架疲勞壽命分析 劉德剛, 楊?lèi)?ài)國(guó), 李 鐵多自由度振動(dòng)系統(tǒng), 有其本身的固有頻率, 在某些速度 級(jí)下運(yùn)行時(shí)線路的激擾頻率接近車(chē)輛的固有頻率, 于 是引發(fā)共振, 從而導(dǎo)致車(chē)輛零部件的動(dòng)載荷加大, 進(jìn)而 增大了損傷量; 二是由于車(chē)輛在線路上的運(yùn)行速度是 與路況密切相關(guān)的, 低速度級(jí)對(duì)應(yīng)著惡劣的線路

25、條件, 如小的曲線半徑和多道岔, 而高速度級(jí)對(duì)應(yīng)著良好的 線路條件, 如多直線段、大的曲線半徑及較少的道岔, 從而使得高速度級(jí)可能產(chǎn)生小的損傷量, 而低速度級(jí) 反而發(fā)生大的損傷量。95%、不同疲勞強(qiáng)度降低系數(shù)時(shí) ZG230450 側(cè)架的 疲勞壽命見(jiàn)圖 6; 存活率 95%、不同疲勞強(qiáng)度降低系數(shù) 時(shí)B 級(jí)鋼側(cè)架的疲勞壽命見(jiàn)圖 7。 疲勞強(qiáng)度降低系數(shù) 的變化主要反映了金屬內(nèi)部缺陷程度 (如裂紋、氣孔、 夾雜、縮孔) 和相對(duì)于設(shè)計(jì)形狀的局部幾何偏差程度 (如飛邊、臺(tái)階、鏟鑿痕跡) 的變化。圖 5 ZG230450 側(cè)架及B 級(jí)鋼側(cè)架滑槽側(cè)承簧臺(tái) 拐角處的損傷量隨速度級(jí)變化的關(guān)系曲線參照 1992 年

26、四方車(chē)輛研究所進(jìn)行載荷譜統(tǒng)計(jì)時(shí) 的有關(guān)數(shù)據(jù), 結(jié)合鐵道部運(yùn)輸局給出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果, 給出 了近期內(nèi)全路貨車(chē)運(yùn)行速度的分布情況, 見(jiàn)表 3。 表 3 鐵路貨車(chē)運(yùn)行速度分布情況 速度級(jí)(km h- 1)10 20 30 40 50 60 70 80 90以該速度級(jí)運(yùn)行的里程占0. 5 2512 35 30 105 0. 5總運(yùn)行里程的百分?jǐn)?shù)%將表 2 中所列的各個(gè)速度級(jí)下的損傷量與表 3 中 對(duì)應(yīng)的各速度級(jí)的比重相乘再相加, 就得到在混合速 度級(jí)運(yùn)行單位里程各個(gè)部位產(chǎn)生的損傷量, 其倒數(shù)就 是該部位的疲勞壽命 (單位為萬(wàn) km )。顯然, 最危險(xiǎn)部位的壽命就代表了整個(gè)側(cè)架的壽 命。經(jīng)計(jì)算, 制動(dòng)梁滑槽

27、一側(cè)的彈簧承臺(tái)拐角部位的損 傷量, ZG230450 側(cè)架為 41781 510- 3 (1萬(wàn) km ) ,B 級(jí)鋼為 31684 8 10- 3 ( 1萬(wàn) km ) , 其倒數(shù)分別為209114 萬(wàn) km 和 271139 萬(wàn) km , 這個(gè)值是完全重車(chē)狀 態(tài)下運(yùn)行的壽命。 假設(shè)將實(shí)際運(yùn)營(yíng)中空重車(chē)的運(yùn)行里程 比取為 3565, 那么 ZG230450 側(cè)架總的使用壽命 為 321175 萬(wàn) km , B 級(jí)鋼側(cè)架的壽命為 417152 萬(wàn) km , 按照每年運(yùn)行 10 萬(wàn) km 計(jì), 那么 ZG230450 側(cè)架的使 用壽命為 321175 年, B 級(jí)鋼側(cè)架的壽命為 411752 年。 6

28、. 2 一定存活率下不同疲勞強(qiáng)度降低系數(shù)時(shí)側(cè)架疲勞壽命計(jì)算結(jié)果按照上面所述的計(jì)算過(guò)程計(jì)算了一定存活率下不 同 疲勞強(qiáng)度降低系數(shù)時(shí)側(cè)架的疲勞壽 命。 存活率圖 6 存活率 95%、不同疲勞強(qiáng)度降 低系數(shù)時(shí) ZG230450 側(cè)架的疲勞壽命從圖中可以看出, 在長(zhǎng)壽命區(qū), 疲勞強(qiáng)度降低系數(shù) 的微小變化會(huì)引起側(cè)架疲勞壽命的劇烈變化; 而在短 壽命區(qū), 疲勞壽命隨著疲勞強(qiáng)度降低系數(shù)的變化趨緩。6. 3一定疲勞強(qiáng)度降低系數(shù)下不同存活率時(shí)側(cè)架疲 勞壽命計(jì)算結(jié)果一定疲勞強(qiáng)度降低系數(shù) ( ZG230450 側(cè)架 為1155, B 級(jí)鋼側(cè)架為 11116) 存活率分別為 50%、90%、99%、9919% 時(shí),

29、側(cè)架的疲勞壽命與存活率為 95% 的 計(jì)算結(jié)果列于圖 8。圖 7 存活率 95%、不同疲勞強(qiáng)度降 低系數(shù)時(shí)B 級(jí)鋼側(cè)架的疲勞壽命圖 8 不同存活率時(shí) ZG230450側(cè)架和B 級(jí)鋼側(cè)架的疲勞壽命從 圖 8 可以看出, 存活率由 50% 增大到 9919%15試驗(yàn)研究鐵道車(chē)輛 第 41 卷第 10 期 2003 年 10 月文章編號(hào): 100227602 (2003) 1020016204L o nW o rk s 網(wǎng)絡(luò)在我國(guó)鐵路客車(chē)上的應(yīng)用姜洪亮, 郭秀偉, 李國(guó)平(四方車(chē)輛研究所 電氣研發(fā)中心, 山東 青島 266031)摘 要: 介紹了L o nW o rk s 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在鐵路客車(chē)上的應(yīng)用

30、情況。運(yùn)用結(jié)果說(shuō)明, L o nW o rk s 網(wǎng)絡(luò)列車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)具有成 本低、可靠性好及網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn), 適合在旅客列車(chē)上推廣使用。關(guān)鍵詞: L o nW o rk s; 網(wǎng)絡(luò); 客車(chē)中圖分類(lèi)號(hào): U 270. 38+ 1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B隨著我國(guó)鐵路客車(chē)檔次的不斷提高, 客車(chē)上所用 的電氣設(shè)備也越來(lái)越多, 因此, 全面、準(zhǔn)確地掌握各種 電氣設(shè)備的信息, 惟有借助于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。1L onW orks 網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介L(zhǎng) o nW o rk s 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是美國(guó) Eche lo n 公司于 1990 年 12 月推出的一種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。LON (L ocal Ope2 rat io n N e tw o r

31、k) 為局部控制網(wǎng)絡(luò), 具有現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)收稿日期: 2003206201作者簡(jiǎn)介: 姜洪亮(19722 ) , 男, 工程師。的一切特點(diǎn)。L o nW o rk s 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)符合 IEEE1473 和 E IA 709 標(biāo)準(zhǔn), 支持不同的通訊介質(zhì), 如雙絞線、 電力線、無(wú)線電、同軸電纜、紅外線等。這種網(wǎng)絡(luò)為對(duì)等 式的通訊網(wǎng)絡(luò), 無(wú)主節(jié)點(diǎn), 實(shí)時(shí)性好, 可靠性高。L o nW o rk s 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)近幾年在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛 應(yīng)用, 并被美國(guó)、歐洲等國(guó)家和地區(qū)的一些行業(yè)制定為 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn), 特別是在樓宇自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng) 化、交通運(yùn)輸、家庭與公用事業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域應(yīng)用最為 廣泛。 我國(guó)鐵路也將L

32、 o nW o rk s 網(wǎng)絡(luò)作為列車(chē)通信網(wǎng) 絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)之一。時(shí), 側(cè)架的疲勞壽命在 500 萬(wàn) km 600 萬(wàn) km 與 200萬(wàn) km 300 萬(wàn) km 之間變化。7結(jié)論(1) 側(cè)架的最危險(xiǎn)部位在制動(dòng)梁滑槽側(cè)彈簧承臺(tái) 的拐角處, 其次在導(dǎo)框內(nèi)彎角處, 這與側(cè)架的疲勞試驗(yàn) 結(jié)果是一致的。 ZG230450 側(cè)架疲勞強(qiáng)度降低系數(shù) 取 1155 時(shí), 其疲勞壽命計(jì)算結(jié)果為 321175 年。根據(jù)實(shí) 際測(cè)試結(jié)果編制的貨車(chē)載荷譜試驗(yàn)結(jié)果中, ZG230 450 側(cè)架疲勞壽命為 3613 年, 這說(shuō)明疲勞計(jì)算結(jié)果和 試驗(yàn)結(jié)果是比擬吻合的, 即基于有限元技術(shù)的疲勞壽 命計(jì)算結(jié)果是有一定參考價(jià)值的。這樣,

33、在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階 段可采用該項(xiàng)技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)零部件的疲勞壽命, 繪出構(gòu) 件的壽命 (損傷) 分布圖, 使其壽命 (損傷) 分布情況一 目了然, 并可進(jìn)行基于疲勞壽命的優(yōu)化設(shè)計(jì), 大大縮短 產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。( 2) B 級(jí)鋼側(cè)架的疲勞壽命比 ZG230450 側(cè)架 長(zhǎng), 這說(shuō)明B 級(jí)鋼的抗疲勞性能優(yōu)于 ZG230450。( 3) 側(cè)架上不同部位的壽命相差很大, 應(yīng)力集中 區(qū)域的壽命與其他部位的壽命往往相差假設(shè)干數(shù)量級(jí)。 因此, 應(yīng)力集中部位的鑄造質(zhì)量直接決定了整個(gè)側(cè)架16的疲勞壽命。 建議生產(chǎn)廠家在構(gòu)件的鑄造過(guò)程中優(yōu)先 保證應(yīng)力集中部位的鑄造質(zhì)量。( 4) 側(cè)架上裂紋發(fā)生概率最高的部位在導(dǎo)框頂 面。 在

34、該部位產(chǎn)生裂紋的側(cè)架占所有統(tǒng)計(jì)到的產(chǎn)生裂 紋側(cè)架總數(shù)的 50% 左右。 由此可見(jiàn), 大量的疲勞損傷 問(wèn)題發(fā)生在這些接觸部位。 這些部位的疲勞屬于接觸 疲勞, 其損傷機(jī)理不同于常規(guī)疲勞, 使用常規(guī)的疲勞理 論來(lái)分析接觸部位的疲勞壽命顯然不會(huì)得到合理的結(jié) 果, 所以應(yīng)加強(qiáng)對(duì)零部件間接觸部位的接觸疲勞研究。參考文獻(xiàn): 1 北方交通大學(xué). 轉(zhuǎn) 8A 轉(zhuǎn)向架鑄鋼材料疲勞性能試驗(yàn)報(bào)告 R .2002. 2 四方車(chē)輛研究所. 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、側(cè)架、搖枕材質(zhì)的疲勞極限及 P 2S 2N 曲線的測(cè)定報(bào)告R . 1991. 3 施治才, 侯衛(wèi)星, 等. 貨車(chē)轉(zhuǎn)向架疲勞強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)R . 青島: 四方車(chē) 輛研究所, 198

35、9. 4 nCode T echnical R eference Book Z . 1998. 5 徐 灝. 疲勞強(qiáng)度M . 北京: 高等教育出版社, 1988. 6 邢鴻麟. 轉(zhuǎn) 8A 轉(zhuǎn)向架搖枕、側(cè)架裂紋調(diào)查分析報(bào)告R . 青島: 四 方車(chē)輛研究所, 1998.(編輯: 李萍)ABSTRACTD iscuss ion of the D evelopm en t of D epressed Cen ter Fla t Cars in Our Coun tryJU X iao 2ran(m ale, bo rn in 1959, sen io r engineer, P roduct D ev

36、e lopm en t D epartm en t of H arb in Ro lling Stock W o rk s, H arb in 150010, Ch ina)Abstract: T he deve lopm en t p rocess of dep ressed cen ter f la t cars in ou r coun t ry is review ed. T he ex ist2 ing condit io n s and m ain p rob lem s in the dep ressed cen ter f la t cars are described. A

37、nd suggest io n s fo r deve lopm en t of the cars are given.Key words: dep ressed bo t tom gondo la car; tech2n ica l param eter; reviewSevera l Suggest ion s on Pa ssenger Cars for Q ingzang Ra ilwayR EN J ian(m ale, bo rn in 1960, sen io r engineer, L ocom o2 t ives & Ro lling Stock Sect io n of C

38、h ina N o rthern L o 2 com o t ives & Ro lling Stock Indu stry Group Co rp. , Beijing 100038, Ch ina)Abstract: O n the basis of the featu res of the en2 vironm en ta l condit io n s a lo ng Q ingzang R ailw ay and the requ irem en ts of the special environm en t on pas2 senger cars, the m ain resear

39、ch po in ts and key tech2 n iques in passenger cars fo r Q ingzang R ailw ay are po in ted ou t, several suggest io n s are given fo r devel2 opm en t of the passenger cars.Key words: Q ingzang R ailw ay; passenger car; key techn ique; suggest io nBr ief In troduct ion of New Techn iques Appl ied on

40、 Bog ies of Speed Increa sed Fre ight CarsH E N ing(fem ale, bo rn in 1971, engineer,M anagem en t and M arket Sect io n of Q ishuyan L ocom o t ives & Ro lling Stock W o rk s, Changzhou 213011, Ch ina)Abstract: Som e new techn iques app lied at p re2sen t in the th ree new types of speed increased

41、freigh t car bogies of cro ss2b raced type, t ilt ing type and Sheffield radial type are described.Key words: speed increased freigh t car; freigh t car bogie; cro ss2b raced; radial bogieAna lysis of the Fa t igue Serv ice L ifeof the S ide Fram es of Zhuan 8A Type Bog iesL IU D e2gang, et a l.(m a

42、le, bo rn in 1972, engineer, T echn ica l R e2 search D epartm en t of Sifang Ro lling Stock R esearch In stitu te, Q ingdao 266031, Ch ina)Abstract: T he p rocess and resu lt s of the fatigue service life analysis on the side fram es of Zhuan 8A bogies w ith the f in ite elem en t techno lo gy are

43、de2 scribed, and several view po in ts on the analysis of the fatigue service life of the side fram es are given.Key words: freigh t car bogie; Zhuan 8A type; side fram e; fatigue service life; analysisAppl ica t ion of L onW orks Network on Ra ilway Pa ssenger Cars in Our Coun tryJ IAN G Hong2liang, et a l.(m ale, bo rn in 1972, engineer, E lectrical R e2 search and D eve lopm en t Cen ter of Sifan