高速重載列車鉤舌疲勞可靠性研究

杜彪 張恒

摘 要：基于ANSYS有限元軟件，本文對(duì)鉤舌進(jìn)行模塊化應(yīng)力分析，通過(guò)內(nèi)部的求解系統(tǒng)得到拉應(yīng)力時(shí)，最大應(yīng)力為鉤舌內(nèi)腕面處。采用GPL-200材料疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，分別試驗(yàn)分析得出國(guó)產(chǎn)和美國(guó)鉤舌材料的疲勞壽命特征，國(guó)產(chǎn)材料的疲勞壽命不及美國(guó)材料的疲勞性能，但離散度小。采用Monte-Carlo方法產(chǎn)生隨機(jī)載荷譜，對(duì)國(guó)產(chǎn)鉤舌與美國(guó)鉤舌進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：鉤舌；疲勞可靠性；高速重載

1 前言

鉤舌是鐵路車輛縱向力傳遞最重要的部件之一，對(duì)列車的安全編組、運(yùn)行有直接的影響，所以，車鉤疲勞強(qiáng)度一直是鐵路運(yùn)輸部門最基本的要求。近年來(lái)，鐵路貨車運(yùn)輸業(yè)不斷向高速、重載方向發(fā)展，車列的縱向沖擊明顯增強(qiáng)，對(duì)鉤舌的疲勞強(qiáng)度性能提出了越來(lái)越高的要求，鉤舌的承載能力直接制約了鐵路運(yùn)力，因此提高鉤舌的疲勞可靠性是現(xiàn)代鐵路運(yùn)輸業(yè)亟待解決的重要問(wèn)題之一[1]。

大秦運(yùn)煤專用車裝配的車鉤有國(guó)產(chǎn)和美國(guó)生產(chǎn)的，兩種材質(zhì)均為E級(jí)鋼[2]。根據(jù)檢修數(shù)據(jù)對(duì)比，在相同的運(yùn)行條件下鉤舌鉤腕面處出現(xiàn)裂紋報(bào)廢，國(guó)產(chǎn)車鉤的報(bào)廢率約為90%時(shí)，美國(guó)車鉤的報(bào)廢率約為10%。由此可見，估算其疲勞壽命并分析其疲勞特性對(duì)鉤舌的制造和使用具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

2 鉤舌有限元分析

在鉤舌的極限載荷下進(jìn)行應(yīng)力仿真分析，計(jì)算結(jié)果如圖1所示：鉤舌內(nèi)腕面處的應(yīng)力最大，與運(yùn)用條件下裂紋多在內(nèi)腕面處相符合[3]；牽引臺(tái)部位應(yīng)力較大且易于出現(xiàn)應(yīng)力集中，這與運(yùn)用條件下裂紋也會(huì)在牽引臺(tái)處發(fā)展相符合；由于牽引臺(tái)部位發(fā)生應(yīng)力集中的面積相對(duì)于鉤舌內(nèi)腕面處較小，運(yùn)用中在不斷磨合的作用下護(hù)銷突緣也承受部分拉力，牽引臺(tái)部位應(yīng)力降低，本文以鉤舌內(nèi)腕面的應(yīng)力分析為主。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

本文對(duì)鉤舌材料進(jìn)行了拉伸載荷下的疲勞壽命試驗(yàn)，采用GPL-200材料疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)。本試驗(yàn)主要測(cè)量材料的拉壓疲勞極限。拉壓載荷加載方式：正弦曲線；加載頻率：160.5Hz；循環(huán)應(yīng)力比為r=-1；試驗(yàn)環(huán)境：溫度在15～25℃之間，無(wú)潮濕、腐蝕性空氣的環(huán)境；加載時(shí)，使試樣受力對(duì)稱分布，同軸度良好；靜態(tài)平均值與動(dòng)態(tài)幅值的允許誤差須低于±1%和±3%。試件尺寸如圖2所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用單點(diǎn)法試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出國(guó)產(chǎn)鉤舌材料的p-S-N曲線斜線方程，擬合出p=50%的p-S-N曲線斜線方程以及p=90%的曲線斜線方程，然后修正與檢驗(yàn)。由最小二乘法根據(jù)單點(diǎn)法試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出p-S-N曲線斜線方程。最小二乘法是

，使取得最小值的，計(jì)為，式中是樣本值。點(diǎn)的循環(huán)次數(shù)的對(duì)數(shù)對(duì)應(yīng)的正態(tài)分布的概率密度值為：

國(guó)產(chǎn)鉤舌材料的直線方程推導(dǎo)如圖3所示：在高周疲勞的情況下，隨著可靠度的提升，疲勞壽命相差不是很大，超高周疲勞中疲勞時(shí)壽命相差較大，這與超高周疲勞的離散性比較大相符合，50%可靠度的疲勞極限比90%可靠度的疲勞極限減少10%左右。

為了研究拉噸對(duì)材料的影響，分別對(duì)國(guó)產(chǎn)材料拉噸前后進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)拉噸后材料的疲勞性能下降30%左右，而且拉噸后隨著疲勞可靠性的提高，疲勞壽命降低更快。在高周疲勞時(shí)，拉噸前后疲勞壽命隨著可靠度升高，變化不是很大，而在高周疲勞時(shí)則較大，如圖4所示。

為了研究美國(guó)與國(guó)產(chǎn)材料的差別，分別對(duì)兩種材料拉噸進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)美國(guó)的鉤舌材料疲勞壽命比國(guó)產(chǎn)的高20%左右，美國(guó)的材料隨著可靠度的提高變化比較大，而國(guó)產(chǎn)材料相對(duì)變化較少；在超高周疲勞時(shí)，隨著可靠度的提高，美國(guó)材料與國(guó)產(chǎn)材料變化均較大，如圖5所示。

4 疲勞壽命預(yù)測(cè)

Ni為對(duì)數(shù)正態(tài)分布，因此考慮用Monte-Carlo[4]方法求解該式。

對(duì)數(shù)疲勞壽命服從正態(tài)分布～，可靠度p=90%和p=10%的兩條直線方程為：

又由對(duì)數(shù)疲勞壽命服從正態(tài)分布，得：

由式1、2解得：

利用Monte-Carlo方法生成隨機(jī)載荷譜，用正態(tài)分布、對(duì)數(shù)分布擬合疲勞壽命，而載荷譜下的壽命次數(shù)為10lgNi。

根據(jù)上述方法，編制計(jì)算程序錄入載荷譜，采用Monte-Carlo方法計(jì)算疲勞可靠性壽命。本研究過(guò)程進(jìn)行2000次模擬計(jì)算，并完成隨機(jī)壽命統(tǒng)計(jì)，得出的壽命千米數(shù)如圖6、7所示：國(guó)產(chǎn)鉤舌的疲勞壽命低于美國(guó)鉤舌；另外由于國(guó)產(chǎn)鉤舌的疲勞強(qiáng)度分散性小，壽命分散性也較小。

5 結(jié)論

本文對(duì)國(guó)產(chǎn)和美國(guó)兩種材料的鉤舌進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)分析，通過(guò)分析得出以下結(jié)論：

（1）鉤舌被破壞時(shí)主要受拉應(yīng)力作用，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在鉤舌內(nèi)腕面處。

（2）對(duì)國(guó)產(chǎn)和美國(guó)兩種材料進(jìn)行了試驗(yàn)，美國(guó)材料的疲勞性能優(yōu)于國(guó)產(chǎn)材料，但是其離散性較大，隨著可靠度的增加變化較大。

（3）使用Monte-Carlo方法產(chǎn)生隨機(jī)載荷譜，預(yù)測(cè)鉤舌的疲勞壽命，美國(guó)鉤舌的平均壽命為國(guó)產(chǎn)鉤舌的2倍左右，且離散度為國(guó)產(chǎn)鉤舌的2倍左右。

參考文獻(xiàn)

[1]李曉慧，謝基龍.重載列車E級(jí)鋼鉤舌疲勞裂紋擴(kuò)展條件及壽命預(yù)測(cè)[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，30（4）：102-105.

[2]劉青峰，謝基龍，繆龍秀，等.鉤尾框尾部彎角疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)研究[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24（5）：42-46.

[3]徐倩，謝基龍，繆龍秀，等.基于單軸損傷的火車鉤尾框多軸疲勞壽命分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24（1）：19-22.

[4]K Liffman.A Direct Simulation Monte-Carlo Method for Cluster Coagulation[J].J.Comp.Phy，1992，100（1）：116-127.