（机械工程专业论文）27t轴重货车转向架疲劳载荷测试及可靠性研究.pdf

中文摘要 摘要：为适应我国经济快速发展、货运需求不断增大的现状，重载化成为我国铁 路货车的发展趋势，而提高货车轴重是发展铁路重载运输最有效的途径之一。目 前我国投入线路使用的最大轴重货车是2 5 t 轴重货车，2 7 t 轴重货车作为即将投入 使用的更大轴重货车，急需线路试验数据来对货车最重要的承载部件转向架进行 强度及可靠性分析。本论文以2 7 t 轴重货车的线路试验数据为基础，对2 7 t 轴重货 车转向架进行了以下几方面研究： 1 对线路测试试验采集到的原始数据进行处理，得到关键测点的应力时间历程数 据，并编制各测点的应力谱，对各测点的疲劳强度进行分析评价。 2 对摇枕和侧架进行有限元分析，确定摇枕的疲劳危险部位以及侧架各载荷工况对 其影响的关系。 3 通过载荷识别，得到摇枕、侧架的关键疲劳载荷以及交叉杆轴向载荷的载荷数据， 并编制载荷谱。 4 使用拟合得到的摇枕s n 曲线参数，依据m i i l e r 线性疲劳累积损伤理论，分别使 用疲劳载荷的载荷谱和疲劳危险部位的总应力谱这两种方法对摇枕疲劳危险部位 的疲劳损伤和寿命进行计算，并根据计算结果，对这两种计算方法进行比较。 关键词：疲劳强度；有限元；载荷识别；载荷谱；损伤 分类号：u 2 7 0 1 ；6 2 9 4 a b s l 乳c t a b s t r a c t ：i no r d e rt oa d a p tt h ec u r t g r i ts i t u a t i o no fr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t a n di n c r e a s i n gd e m a n df o rf r e i g h tt r a n s p o r to fo u rc o u n t r y , h e a v yl o a d i n gb e c o m e st h e d e v e l o p m e n tt r e n d so fr a i l w a yf r e i g h tc a l t oi m p r o v et h ea x l el o a di st h em o s te f f e c t i v e w a yt od e v e l o pf a i l w a yf r e i g h tt r a n s p o r t c u r r e n t l y , t h eh e a v i e s ta x l el o a do fr a i l w a y f r e i 曲te a ro fc h i n ai nu s m gi st h e2 5 ta x l el o a d 2 7 ta x l el o a dr a i l w a y 确班c a ri s g o i n gt ob ep u ti n t ou s ea n dh a su r g e n tn e e df o rt h et e s td a t at oa n a l y s i st h es t r e n g t h a n dr e l i a b i l i t yo ft h eb o g i e t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h et e s td a t ao f2 7 ta x l el o a d r a i l w a y f r i g h tc a r , a n dd os o m es t u d yo nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 p r o c e s s i n gt h et e s td a t aa n dg e tt h es t r e s s - t i m eh i s t o r yd a t ao ft h ek e yp o i n t so f 2 7 ta x l el o a df r e i g h tc a rb o g i e t h e nm a k i n gs t r e s ss p e e t m mt oa n a l y s i st h ef a t i g u e s t r e n g t ho f k e yp o i n t s 2 d o i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s f o rt h eb o l s t e ra n ds i d ef l a m et od e t e r m i n et h e f a t i g u ed a n g e r o u sp a r t so f t h eb o l s t e ra n dt h ea f f e c to fe v e r yl o a dt os i d ef r a m e 3 t h r o u g ht h el o a di d e n t i f i c a t i o n ，g e tt h ef a t i g u el o a do ft h eb o l s t e ra n ds i d ef a m e m a k et h el o a ds p e c t r u m 4 a c c o r d i n gt ot h es - n c u r v ea n dm i n e rl i n e a ra c c u m u l a t e df a t i g u ed a m a g et h e o r y , u s e t w om e t h o d st oa n a l y s i st h ef a t i g u ed a m a g ea n dl i f eo ft h eb o l s t e rf a t i g u ed a n g e r o u s p a r t s c o m p a r e t h et w om e t h o d sa c c o r d i n gt ot h er e s u l t s k e y w o r d s ：f a t i g u es t r e n g t h ；f e a ；l o a di d e n t i f i c a t i o n ；l o a ds p e c t r u m ； f a t i g u ed a m a g e c l a s s n o ：u 2 7 0 1 ：6 2 9 4 致谢 本论文的工作是在我的导师谢基龙教授的悉心指导下完成的，谢基龙教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，使我终生受益匪浅。 尤其是谢老师在生活中的豁达睿智和幽默风趣，更让我钦佩和景仰，在此衷心感 谢两年来谢老师对我的关心和指导。 本论文的完成还得到了缪龙秀教授、李强教授、刘志明教授、任尊松教授、 金新灿副教授、王文静副教授、杨广雪老师等老师的悉心指导，在论文完成过程 中遇到一些问题时，他们给了我莫大的帮助，在此向他们表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，宋占勋、张燕等几位博士，杨大春、占彦等 前届师兄师姐以及刘志、黄鼎、郭忠涛、李金良、金鑫、程璐等同学都给予了我 热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学k 。 1 引言 1 1 选题背景与工程意义 铁路作为我国最重要的货运途径之一，在国民经济中占有极其重要的地位。 然而目前我国铁路运能却与货运需求量不相适应。统计数字表明，铁路货运每天 的请求装车数约在3 0 万辆左右，但实际装车数目前只能维持在1 0 万辆以上。货 运需求的满足率由2 0 0 3 年的5 1 5 下降到目前的3 5 n 1 。为了适应国民经济的高 速发展，满足国内货运市场的需求，铁路货车的快速化、重载化己成为当前货车 发展的必然趋势。目前世界铁路货车技术发展可分为两大流派：重载技术、快捷 技术。结合我国幅员广阔的具体国情，发展铁路重载运输是解决我国铁路货运量 大幅度增长与运能不相适应的一项有效措施，而提高货车轴重是发展铁路重载运 输最有效的途径之一。 疲劳失效广泛存在于承受反复载荷的机械结构中，据统计大约有5 咿9 0 的机械结构破坏属于疲劳破坏乜1 。铁路货车在运行过程中，货车车体的自重、载重 和整备重量通过下心盘传递到摇枕上再经由弹簧传递到侧架最后经承载鞍传递到 轮对，在车辆运行中，轨道的激扰也会通过轮对传递到侧架和摇枕上口1 。摇枕和侧 架作为货车转向架的主要承载部件，在运用过程中承受着拉、压、冲击、弯曲等 交变载荷的作用，工况十分恶劣。车辆运用中难免出现的偏载、超载、轮对擦伤 等因素会使受力状况恶化，从而加剧了疲劳失效问题的发生h 1 。因此为确保其使用 安全，就需要研究其疲劳寿命。 我国目前投入线路使用的最大轴重货车是2 5 t 轴重的大秦线c 8 0 型货车。2 7 t 轴重货车作为即将投入使用的更大轴重货车，目前还处于试验阶段；作为货车最 重要承载部件的转向架，其结构强度及可靠性尚无详细的试验数据来进行分析。 载荷谱是进行机车车辆承载零部件强度和疲劳寿命研究的重要依据之一，对进行 疲劳强度试验、疲劳寿命估计和疲劳设计具有重要的意义哺1 。因此，对2 7 t 轴重货 车转向架的受载情况及疲劳问题进行研究，获得实际运行过程中的载荷谱，进而 用于结构的设计与优化，对我国铁路水平的发展具有重大意义。 1 2 国内外研究现状 作为铁路货车最重要的承载件也是疲劳件，转向架在运用中承受着极为复杂 的随机载荷。近一百多年来国内外对货车转向架的疲劳研究都取得了大量的成果。 美、日、俄及欧洲等国都使用疲劳可靠性理论做疲劳可靠性分析，使转向架 的疲劳可靠性设计及分析方法得到逐步完善。国外铁路货车尤其是重载货车的疲 劳设计制造标准，主要以美国铁路协会( a a r ) n 定的标准货车设计制造规范 ( 机务标准手册c 分册( i i ) ) 为主。北美、澳洲、巴西和南非等国家均按此标准设 计重载列车。该规范系统地规定了强制性疲劳分析的诸多因素车辆类型、车 辆部件、零件和构件的疲劳特性的相关假设、相关术语、载荷环境及载荷谱、运 营里程标准、疲劳分析的材料特性及分析方法、分析大纲、使用最大载荷的分析 方法等。此外，美国a a r 标准中新造货车的疲劳设计提供了波动载荷作用下 货车各部件的疲劳寿命估算方法1 。欧洲t s i 标准的疲劳试验用于预测货车转向架 的使用寿命，检查隐藏的薄弱点，评估安全极限刚。 我国对货车走行部疲劳问题的研究刚刚起步，目前我国主要以依照美国铁路 协会( a a r ) 的相关标准制定的两个铁标作为对转向架进行疲劳分析评定的依据一 t b l 9 5 9 货车铸钢摇枕载荷试验评定方法和t b l 9 6 0 货车铸钢侧架载荷试验 评定方法。但由于在诸多方面美国和我国存在差异，如铸造工艺、线路条件及运 用条件等，因而需要选择适合我国实际情况的模型来为进行疲劳寿命分析提供一 些关键性数据。另外，t b t 1 9 5 9 2 0 0 6 铁道货车摇枕、侧架静载荷及疲劳试验 也规定了对货车转向架的关键部件摇枕和侧架进行静载荷及疲劳载荷的试验 方法和评定准则陋 。此外，国内的学者也对一些具体型号的货车转向架部件做了大 量疲劳方面的研究。 1 3 论文主要研究内容 本文以2 7 t 轴重货车线路试验采集的应力数据为基础，对2 7 t 轴重货车转向架 的四个关键部件摇枕、侧架、交叉杆与制动梁四部分进行疲劳载荷识别及疲 劳可靠性研究。主要研究内容包括： 1 在以齐齐哈尔站为中心的附近区段对2 7 t 轴重货车进行线路试验，对实测数 据进行处理分析得到转向架各测点的应力时间历程数据，对数据进行初步统计分 析，并编制各测点应力的应力谱。 2 建立摇枕、侧架的有限元模型，使用a n s y s 软件分别对摇枕和侧架进行加 载计算，得到摇枕的疲劳危险部位以及侧架各载荷工况对其影响的关系。 3 分别对摇枕、侧架和交叉杆进行载荷识别，通过关键测点的应力时间历程数 据，识别得到摇枕垂向载荷、侧架垂向载荷和交叉杆轴向载荷的载荷时间历程数 据，并编制这些载荷的载荷谱。 2 4 拟合s - n 曲线，并根据b + 级铸钢摇枕的特性对其进行修正，得到不同缺陷 系数下的曲线参数，为后面的损伤计算及疲劳寿命评估做准备。 5 用两种方法对摇枕进行疲劳损伤分析： ( 1 ) 根据拟合出的各疲劳载荷的载荷数据，计算得到对应的各疲劳危险部位 的响应应力数据，并分别计算损伤，将每个疲劳危险部位的各个响应应力造成的 损伤相加，得到每个疲劳薄弱点的总损伤。 ( 2 ) 根据拟合出的各疲劳载荷的载荷数据，计算得到对应的各疲劳危险部位 的响应应力数据，将每个疲劳危险部位的各个响应应力数据进行矢量叠加，得到 各处的总应力数据，再求损伤。 ( 3 ) 对以上两种方法进行比较、分析。 2 线路动应力测试 2 1 测试方法及测试过程 2 1 1 测点布置 本次测试采用线路运行实测的方法，对2 7 t 轴重货车转向架各主要承载部件进 行动应力测试。试验采用装有2 7 t 轴重转向架的货车一辆，以一位或二位转向架为 被测对象进行测试。进行动应力测试之前，需要先确定测点，然后在被测部件上 布置测点。为避免因测点损坏而丢失关键测点的动应力信息，比较重要的测点均 有备点。 本次试验的测试部件包括：摇枕( 一件) 、侧架( 两件) 、交叉杆( 一件) 和 制动梁( 一件) 。摇枕、侧架和制动梁三个部件，测点主要布置在仿真计算结果的 大应力处以及实际运用中易产生疲劳裂纹的部位；对于交叉杆，因其所受应力不 大，对其进行测试的目的是为了得到杆的轴向载荷，因此在交叉杆四根杆的相同 位置截面的上下左右各布置一个测点。 测点数量为4 9 个，其中：侧架( 两件) 共1 8 个测点：摇枕( 一件) 共1 0 个 测点；制动梁( 一件) 共5 个测点；交叉杆( 一件) 共1 6 个测点。各测点分布位 置如图2 1 所示n 们1 1 3 1 。 4 e 宝銮适厶堂亟堂位论塞线蹬动应左捌达 ( a ) ( b ) 图2 1 1 摇枕测点分布 f i g 2 1 1t e s tp o i n t so ft h eb o l s t e r 塞銮适厶堂亟鲎位途塞缉蹬麴应左捌达 ( a ) ( b ) 刳2 1 2 侧架测点分布 f i g 2 - 1 2t e s tp o i n t so fb o g i es i d ef r a m e 6 图2 - 1 3 制动梁测点分布 f i g 2 - 1 - 3t e s tp o i n t so f b r a k eb e a m 2 1 2 测试过程 图2 1 _ 4 交叉杆测点分布 h g 2 - 1 - 4t e s tp o i n t so f c r o s sr o d 本次试验是在前期试验准备的基础上，于2 0 1 1 年1 1 月8 日2 0 1 1 年1 1 月 1 0 日，以黑龙江齐齐哈尔站为中心，在附近区段进行为期三天的线路实测。主要 测试区段为：( 1 ) 齐齐哈尔站齐齐哈尔南场红旗营泰康：( 2 ) 齐齐哈尔 站齐齐哈尔南场龙江。 试验采集的数据，除去因采集设备原因而产生的异常数据，可用的良好数据 对应的区段及公里数如表2 1 所列： 表2 1 测试线路区段 t l b 2 1s e c t i o no f l i n et e s t 日期开始时间区段公里数 2 0 1 1 1 1 - 0 81 0 ：3 7 ：5 6泰康一红旗营4 8 9 k m 2 0 1 1 1 l - 0 81 2 ：0 4 ：1 8 红旗营一泰康 4 8 9 k m 2 0 1 1 1 l - 0 91 1 ：4 6 ：3 5红旗营一泰康4 8 9 k m 2 0 11 1 l - 0 91 4 ：1 0 ：l l 泰康一红旗营 4 8 9 k m 2 0 1 1 1 1 0 9 1 5 ：1 4 ：1 8红旗营一泰康 4 8 9 k m 2 0 1 1 1 1 0 91 6 ：0 l ：1 7泰康一齐齐哈尔站7 6 8 k m 2 0 11 1 1 1 00 8 ：4 8 ：3 6齐齐哈尔南场一泰康 7 4 1 k m 2 0 11 1 1 1 01 0 ：0 2 ：3l 泰康一红旗营 4 8 9 k m 2 0 11 1 1 1 01 1 ：2 4 ：1 1 红旗营一泰康 4 8 9 k m 2 0 1 1 1 1 1 01 2 ：3 9 ：3 6泰康一齐齐哈尔南场 7 4 1 k m 2 0 l1 1 1 1 01 5 ：1 3 ：0 2 齐齐哈尔南场一龙江 7 9 3 k m 2 0 1 1 1 1 1 019 ：0 0 ：2 2 龙江一齐齐哈尔站 8 l k m 总计 7 2 7 6 k m 2 1 3 数据采集与数据处理 本次试验使用电阻应变片测试各测点的应变信号，各测点的应变信号采用德 国i m c 公司生产的数据采集系统进行全程连续采集。该系统可以实现大容量、高 采样频率数据采集。测试使用全桥测量的方式，以保证环境温度不影响应变信号； 采用蓄电池独立供电的方式，以减少测试受到线路中分相区引起的车辆供电电压 变化带来的影响；测试采用全程连续采集，以保证测试数据的完备性。采样频率 5 0 0 h z ，不会产生由于频率混叠而产生的信号失真，足以保证采样数据的真实性。 数据采集完毕后，使用北京交通大学结构强度实验室自主开发的数据处理软 件“工程结构数据处理与疲劳强度评估系统”对所采集的应变信号进行处理，最 终得到各个测点的应力信号，即应力时间历程数据田1 。 2 2 典型工况的应力时间历程 在运行过程中，货车存在浮沉运动、侧滚运动以及点头运动等典型工况。现 将这些工况下的典型应力时间历程波形罗列如图2 2 所示。其中，交叉杆的疲劳强 度主要依据交叉杆的轴向载荷进行疲劳试验加以确定，故将每根杆同一截面上的 四个测点的应力时间历程数据相叠加( 去掉弯曲应力影响) ，再将该数值除以4 后 就得到交叉杆的轴向应力时间历程数据。 m _ _ 一 注： 特点。 a n a m a 一鞭一 l l ，t t a p t l q , 鑫，t ：舯【时l 毛3 7 口 图2 2 1 浮沉运动的典型波形 f i g 2 - 2 - lr 1 1 托w a v e f o r mo f b o u n c i n gm o v e m e n t 取摇枕两旁承下部对称测点y 1 1 、y 1 2 ，可见两测点的应力具有同向的 m 一 m x t a 叶m , o n 1 4 q l g 竹m , 1 乏 7 ：，1 图2 - 2 2 侧滚运动的典型波形 f i g 2 - 2 - 2t h ew a v e f o r mo f r o l l i n gm o v e m e n t 注：取摇枕两旁承下部对称测点y 1 1 、y 1 2 ，可见两测点的应力具有反向的 特点。 i i x m a g n l tl t h 1 6 1 1 1 时1 1 , i z ，： 图2 - 2 3 点头运动的典型波形 f i g 2 - 2 - 3t h ew a v e f o r mo fn o d d i n gm o v e m e n t 9 注：取同侧侧架两承载鞍部测点c 1 1 、c i 2 ，可见两测点的应力具有反向的 特点。 。 一 一 图2 - 2 _ 4 制动时制动梁测点的典型波形( 弓杆受拉) f i g 2 - 2 - 4t h e w a v e f o r mo f b r a k i n g 注：取制动梁上部梁中心测点z 4 ，下部梁中心测点z 1 ，可见两测点的应力具 有反向特点。 一_ 一一 一 太t i l l q , t 撇3 j , h i h i , 6 ：f - 2 7 图2 - 2 5 交叉杆轴向应力的同向、反向波动的典型波形( 剪切运动) f i g 2 2 5t h ew a v e f o r mo f c r o s sr o d 注：交叉杆的四根短杆j l ，j 2 ，j 3 ，j 4 中，j 1 、j 3 为一根长杆，j 2 、j 4 为一根长 杆。波形图显示：此时，儿与j 3 、j 2 与j 4 的轴向应力同向波动，儿、j 3 与j 2 、j 4 的轴向应力反向波动。 2 3 动应力测点的初步数据分析 2 3 1测试数据的处理与统计分析 1 0 由于试验时数据的采集是对货车在站站区段内运行时进行的小区段数据采 集，因而每个小区段的数据时间较短。在对测试数据进行初步处理后，将所有有 效区段数据的应力时间历程曲线连接起来得到一段整体数据，即各测点试验全程 的应力时间历程数据。交叉杆的疲劳强度主要依据交叉杆的轴向载荷进行疲劳试 验加以确定，故将每根杆上同一截面上四个测点的应力时间历程相叠加( 去掉弯 曲应力影响) ，再除以4 后就得到交叉杆的轴向应力时间历程数据。 对动应力测试数据进行相关信息的统计得到各测点最大应力的幅值和均值。 其中应力幅值是通过数据处理得出的最大值、最小值之差再除以2 得到；而由于 实验所测数据是动应力数据，是在货车承受满载静载荷后将设备调零所测得的， 因此应力均值是将最大值、最小值相加再除以2 ，再加上货车承受满载静载荷后该 测点所承受的静应力所得到。 摇枕、侧架、制动梁、交叉杆四部分的统计结果如表2 - 2 所示，可见各测点的 最大动应力水平均不高。 表2 2 1 摇枕最大动应力统计，应力单位：m p a t a b 2 2 1t h em a x i m u md y n a m i cs t r e s so ft h eb o l s t e r , u n i t ：m p a 测点编号 y 3 2y 2 1y 2 ，、1y 3 “2y 1 2y 3 一ly 2 “2y 2 2y 1 1y 3 n 1 应力幅值1 6 71 5 42 0 41 6 91 7 02 1 81 6 51 6 61 7 41 7 5 应力均值8 5 09 7 1 1 0 0 28 7 3 9 8 3 9 0 29 7 69 7 31 0 1 48 1 1 表2 2 2 侧架最大动应力统计，应力单位：m p a t a b 2 2 2t h em a x i m u md y n a m i cs t r e s so f b o g i es i d ef 1 3 1 d g ，u n i t ：m p a 测点编号c l - 1c 3 2 “c l 2c 3 2c 2 2c 2 1c 3 、c 3 1 、c 3 1 应力幅值 2 0 98 o2 4 99 32 0 31 8 38 46 8 45 0 4 应力均值 6 7 52 8 56 8 12 8 98 0 27 8 52 8 98 ，48 4 测点编号 c 1 1c 2 - 2c 2 1c 1 2c 3 2 c 3c 3 一lc 3 一2c 3 “1 “ 应力幅值 2 0 22 2 62 0 42 5 49 67 35 2 85 24 2 2 应力均值6 7 28 1 o8 0 26 7 32 8 92 5 98 4 2 6 3 8 4 表2 - 2 - 3 制动梁最大动应力统计，应力单位：m p a t a b 2 - 2 3t h em a x i m u md y n a m i cs t r e s so f b r a k eb e a m ，u n i t ：m p a 测点编号 z 3 2z 2z 4z lz 3 一l 应力幅值1 7 83 5 52 3 43 5 23 3 6 应力均值 2 39 13 87 o7 1 表2 2 _ 4 交叉杆轴面应力统计，应力单位：m p a t a b 2 - 2 _ 4 1 1 1 em a x i m u md y n a m i cs 砸冀婚o fc r o s sr o d , u n i t ：m p a 测点编号 j lj 2 j 3 j 4 应力幅值 3 4 53 3 63 4 92 0 0 应力均值 2 51 12 02 3 2 3 2 动应力测点的疲劳强度分析 采用有限寿命设计理论中的应力寿命法，以线路实测应力谱和部件s n 曲线 为依据，根据线性累积损伤法则预测疲劳寿命。 对于摇枕和侧架，参考a a r 研究试验部报告r 一3 8 7 “关于制定疲劳设计使 用的缺陷一品质判据的a a r 指南说明 ，以缺陷系数k r = 1 5 下的b + 级铸钢的应力 一寿命曲线( s - _ n 曲线) 为摇枕和侧架疲劳寿命评定的基准曲线，见图2 3 。由 b + 级铸钢设计基准曲线，可通过k f 修正，得出不同k f 下的修正s - n 曲线，作为 含缺陷构件寿命预测的基础。 对于制动梁，参考a a r 标准第章“货车的疲劳设计”中7 4 节“材料特性 一构件和零件的疲劳特性”中的定义，该制动梁结构和载荷形式与“轧制梁一挠曲 载荷”相近，该构件在脉动载荷下的s - n 曲线如图2 4 所示。 3 0 0 2 5 0 翟2 0 0 l 匕1 5 0 l o o 5 0 一 a 工一工o o i c f 毫2 ：汝。：摭j 1 0 e + 0 41 0 e + 0 51 0 e + 0 61 0 e + 0 7 n ( c y c l e s ) 图2 3 一i b + 级铸钢件的对称循环应力一寿命曲线 f i g 2 3 - ls - ng u r v co i ls y m m e t r i cc y c l eo rb + c l a s ss t e e lc a s t i n g s 4 0 0 3 5 0 勺3 0 0 乱 一 占2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 e + 0 41 0 e + 0 51 - 0 e + 0 61 0 e + 0 7 n ( c y c l e s ) 图2 3 2 b + 级铸钢件的脉动循环应力一寿命曲线 f i g 2 - 3 - 2s - n c u r v eo np u l s a t i o nc y c l eo f b + c l a s ss t e e lc a s t i n g s 3 5 0 3 0 0 勺 童2 5 0 凸 2 0 0 1 5 0 ft 1 0 e + 0 41 0 e + 0 51 0 e + 0 61 0 e + 0 7 n ( c y c l e s ) 图2 _ 4 制动梁的脉动循环应力寿命曲线 f i g 2 - 4s - n c u r v eo np u l s a t i o nc y c l eo f b r a k eb e a m 根据疲劳理论，当部件承受的循环应力最大值低于相应循环特征下的疲劳极 限时，变幅载荷下的部件具有无限疲劳寿命。由于测试结果表明摇枕、侧架和制 动梁的最大循环应力较小，故首先采用疲劳极限法进行强度评定，如有超过疲劳 极限的应力存在，再采用有限寿命法计算疲劳寿命。 摇枕下表面工艺孔边和外侧腹板穿过交叉杆的孔边疲劳应力相对较高。下表 面工艺孔边( 测点y 2 1 ) 的最大循环应力是：幅值2 0 4 m p a ，均值1 0 0 2 m p a ； 外侧腹板穿过交叉杆的孔边3 1 ) 的最大循环应力是：幅值2 1 8 m p a ，均值 9 0 2 m p a 。表2 3 列出相应循环特征下不同铸造缺陷类型的疲劳极限值，可见在当 前的应力水平和缺陷疲劳强度降低系数厨小于3 下，该处疲劳应力低于疲劳极限， 摇枕具有无限寿命。 表2 3 摇枕测点疲劳强度评价，应力单位：m e a t a b 2 3f a t i g u es t r e n g t ha s s e s s m e n to f t h eb o l s t e r , u n i t ：i v i p a 最大应力应力应力疲劳极限( 应力幅) 测点幅值均值 k f - - i 5珞= 2 0k f = 2 5华3 0 y 2 - 12 0 41 0 0 21 0 0 0 7 5 0 6 05 0 o y 3 12 1 89 0 21 0 1 07 5 86 0 65 0 5 侧架交叉杆支座( 测点c 3 1 ) 的疲劳应力相对最高，其最大循环应力是：幅 值6 8 4 m p a ，均值8 4 m p a 。其次弹簧承台弯角处( 测点c 2 - 2 ) 的应力也较高，其 最大循环应力是：幅值2 2 6 m p a ，均值8 1 m p a 。表2 4 列出相应循环特征下不同铸 造缺陷类型的疲劳极限值，可见在当前的应力水平和缺陷疲劳强度降低系数厨小 于3 下，除侧架交叉杆支座外，其余各处疲劳应力低于疲劳极限，具有无限寿命。 侧架交叉杆支座( 测点c 3 1 处) 在厨小于2 3 下具有无限寿命，高于此则为有限 寿命，因此应严格控制该区域的工艺质量，避免严重铸造缺陷出现。 表2 _ 4 侧架测点疲劳强度评价，应力单位：m p a t a b 2 - 4f a t i g u es t r e n g t ha s s e s s m e n to f b o g i es i d ef l a m e ，u n i t ：m p a 最大应力应力应力疲劳极限( 应力幅) 测点幅值均值 k f = 1 5k f = 2 0k f = 2 5l 译3 0 c 3 1 6 8 48 41 0 9 08 1 86 5 55 4 5 c 2 22 2 68 11 0 1 9 7 6 46 1 15 0 9 制动梁和交叉杆的应力水平不高，均低于疲劳极限，具有无限寿命，但应注 意的是本次试验制动工况可能与实际运行相差较大，故不作为疲劳评价依据。 本章小结 本章主要完成了以下几方面工作： 1 在齐齐哈尔站附近区段对2 7 t 轴重货车转向架进行线路实测。 2 对线路实测的应变数据进行采集并进行初步处理，得到各测点的应力时间历 程数据。 3 对得到的应力数据进行统计，得到各测点的最大动应力的相关统计结果，并 对动应力测点的疲劳强度进行初步分析。 1 4 3 线路实测应力谱编制与有限元分析 3 1 实测应力谱的编制 3 1 1 载荷谱概述与雨流计数法 载荷谱是用统计的方式来表现承载结构在一段时间内所承受的载荷变化情况 的一种表现形式，其表现方式有多种，常用的有数字、图形、表格等。当结构承 受外界的随机载荷时间历程作用时，可能产生多种响应，如应力、应变、加速度 等，这些响应时间历程的累计频次分布，广义上也算是一种载荷谱。常见的载荷 谱有均值谱、等损伤谱、概率谱；从维数上看包括一维谱、二维谱。 载荷谱反映的是一段时间历程内结构所承受的载荷情况，对结构的疲劳寿命 预测起着至关重要的作用。在工程实践中，常用程序载荷谱和随机过程载荷谱进 行结构的疲劳设计和试验。程序载荷谱是以一组离散的统计特征值来代替连续的 载荷历程，即由各级载荷及其发生的频次按某种次序排列组成；随机过程载荷谱 是由载荷历程或其统计特性表示。比较而言，采用随机过程载荷谱进行结构疲劳 试验需要专用的随机疲劳实验机( 由计算机控制的电伺服机构) ，比较严密和精确， 但是实验费用较高；而采用程序载荷谱进行结构疲劳试验相对经济且易于实现， 因而，程序载荷谱在实际中应用得更为广泛n 小n 7 。 编制载荷谱就是将承载结构所承受的载荷时间历程处理成具有代表性的典型 载荷谱。编制载荷谱首先要将实测的不规则的、随机的载荷时间历程转化为一系 列不同幅值的载荷循环，以便于以后估算疲劳损伤及寿命，这一过程成为循环计 数。循环计数法可分为单参数法和双参数法。单参数计数法有峰值计数法、穿级 计数法、程对计数法等；双参数计数法有程均计数法、雨流计数法等。目前国内 外使用最多的是雨流计数法n 踟1 制。本文也使用雨流计数法对实测应力时间历程数 据进行计数统计。 由m a t s u i s k i 和e n d o 等人提出的双参数雨流计数法考虑了材料的载荷应 变塑性性质，认为疲劳损伤的必要条件是塑性的存在，并且塑性性质表现为应力 应变迟滞回线。虽然名义应力处于弹性范围内，但从局部、微观的角度看， 塑性变形仍然存在。雨流计数法的计数结果用应力均值和应力幅值的向量来表示。 雨流计数法的原理如下： 应 间 应力l 4 2f 夕 移 么 应 f s 3 多 变 ( 1 ) 应变时间历程曲线 ( 2 ) 应力应变迟滞回线 ( 1 ) s t r a i n - t i m ec o t u s cc t l r v c ( 2 ) s t r e s s - s t r a i nh y s t e r e s i sl o o p 图3 - 1 雨流计数法的原理 f i g 3 1t h ep r i n c i p l eo f r a i n - f l o wc o u n t i n gm e t h o d 如图3 1 1 所示的应变时间历程曲线。两个小循环2 - 3 - 2 、5 - 6 - 5 和一个大 循环1 4 7 等效对应到图3 1 2 中的两小一大三个迟滞回线。假定一个大变程所产 生的损伤不受到被一个小的完整的迟滞回线截断的影响，则可以从整个应变一时间 历程中逐步提取所有循环，重新加以组合，而二者对材料引起的疲劳损伤是等效 的。得到简化的应变时间历程如图3 2 所示。 雨流计数法过程如下： l7 图3 - 2 简化的等效应变时间曲线 图3 - 3 雨流计数法原理 f i g 3 - 2s i m p l i f i e ds t r a i n t i m ec o u r s cc u r v e f i g 3 - 3p r i n c i p l eo f t h er a i n - f l o wc o u n t i n g 如图3 3 所示，取时间为纵坐标，垂直向下，应力为横坐标，水平向右，应力 时间历程形如一宝塔屋顶。设想雨滴以峰、谷为起点向下流动，根据雨滴流动的 迹线确定应力循环，雨流计数法的名称即由此得来。为实现其计数原理，特作如 下规定：雨滴从峰谷值的内侧往下流，凡起始于波谷的雨流遇到比它更低的谷值 ( 代数值) 便停止，例如起始于波谷0 的雨流止于波谷f 的水平线，因为波谷f 的 谷值比波谷0 的谷值要低。类似地，凡起始于波峰的雨流遇到比它更高的峰值便 1 6 停止，例如起始于波峰a 的雨流止于波峰e 的水平线。另外，在雨滴流动过程中， 凡遇到上面流下来的雨滴时也就停止，例如起始于波峰c 的雨流止于b ；起始于 波谷d 的雨流止于a7 。这样，根据雨滴流动的起点和终点，可以勾画出一个个完 整的应力循环，如b c b7 和a - d a 等。最后，将所有完整的循环逐个提取出来， 并计算它们的均值和幅值n 1 。 3 1 2 一维应力谱的编制 使用“波动中心法编制一维应力谱。首先使用雨流计数法对经处理得到的 应力时间历程数据进行处理，然后对处理后的数据进行扫描，得到应力均值的平 均值以及应力幅值的最大值、最小值，再求组间距： d ：= f a m ”tm f a m i l l n ( 3 - 1 ) 式中d 为组间距，c 一、e 曲分别是载荷幅值的最大值和最小值，是载荷 幅值组的级数，通常取8 级、1 6 级。由此各级载荷幅值组的上下限值分别计算如 下： 乏竺三乏：兰： ，一1 ) c i 一，2 ，n ，。一2 ，e r f = c m i n + d 。( f 一) 、 。 、7 载荷幅值分级后，设定n 个统计载荷幅值发生频数的变量g ( i = l ，2 ，n ) 并赋 初值为零。将新读入的载荷幅值只与载荷幅值的n 个区间的上下限值进行逐个比 较，判断载荷幅值c 属于哪一级，若c r f c c 止，则对q 进行加l 处理，如 此循环直至将输入数据文件读完为止。为了统计描述方便，各级载荷幅值采用其 组中值表示，组中值按下式计算： c f = 垒学 ( 3 3 ) 式中e ，为第f 级的组中值，f 吐和c r f 分别为第i 级的组上限和组下限值。 对摇枕、侧架、制动梁上各测点的应力时间历程数据以及上一章求得的交叉 杆轴面应力的应力时间历程数据按上述过程进行处理，编制各测点应力及交叉杆 轴面应力的一维八级应力谱，如表3 - 1 所示。 表3 1 1 摇枕测点一维应力谱，应力单位：m p a t a b 3 一l - lo n e - d i m e n s i o n a ls t r e s ss p e c t r u mo f t e s tp o i n t so f t h eb o l s t e r 里程：7 2 7 6 公里 测点 谱级 1 级2 级3 级4 级5 级6 级7 级8 级 y 3 2幅值 2 9 24 7 56 5 98 4 31 0 2 61 2 11 3 9 31 5 7 7 次数1 0 7 6 3 83 1 0 0 61 9 8 02 1 l3 51 6 35 ( 续表) y 2 1 幅值 2 8 44 5 3 6 2 27 9 l9 61 1 2 91 2 9 81 4 6 7 次数 8 7 9 3 46 6 4 5 41 3 5 5 97 4 9 l l o 3 41 54 y 2 1 幅值 3 1 45 4 37 7 21 0 0 11 2 3 1 4 5 9 1 6 8 8 1 9 1 7 次数9 7 8 4 37 9 2 8 71 5 8 5 71 0 6 91 8 24 186 y 3 - 2 幅值 2 9 34 86 6 78 5 31 0 41 2 2 61 4 1 3 1 6 次数6 3 8 9 12 7 4 1 l8 1 2 91 3 7 22 0 95 61 68 y l - 2 幅值 2 94 7 l6 5 28 3 3 1 0 1 41 1 9 5 1 3 7 6 1 5 5 7 次数 9 3 2 6 47 2 4 2 81 6 0 2 09 6 9 1 5 3 4 472 y 3 1 幅值 3 2 25 6 68 11 0 5 41 2 9 81 5 4 21 7 8 62 0 3 1 次数 1 2 7 6 4 8 2 4 0 4 7 8 4 5 5 72 17 2 3 y 2 - 2幅值2 94 76 4 98 2 91 0 0 91 1 8 81 3 6 81 5 4 8 次数 9 8 6 4 46 7 4 3 79 4 2 87 5 21 5 73 91 04 y 2 - 2 幅值 2 9 l4 7 46 5 68 3 91 0 2 11 2 0 41 3 8 71 5 6 9 次数1 0 4 1 5 56 0 4 1 l5 0 9 82 9 96 42 031 y 1 1 幅值 2 9 54 8 46 7 38 6 31 0 5 21 2 4 11 4 31 6 2 次数 9 7 2 8 9 6 7 2 4 69 9 5 64 6 97 42 0 6 l 幅值 2 9 54 8 56 7 58 6 51 0 5 41 2 4 41 4 3 41 6 2 4 y 3 - 1 次数l l l 8 9 83 0 7 6 5 1 2 7 2 1 3 72 6 1 l51 表3 1 2 侧架测点一维应力谱，应力单位：m p a t a b 3 1 2o n e - d i m e n s i o n a ls t r e s ss p e c m t mo f t e s tp o i n t so f b o g i es i d ef r a j n e 里程：7 2 7 6 公里 测点谱级l 级2 级3 级4 级5 级6 级7 级8 级 c l 1幅值3 1 55 4 57 7 61 0 0 61 2 3 61 4 6 71 6 9 71 9 2 7 次数1 0 2 6 4 41 0 8 4 17 5 51 1 22 21 3 32 c 3 2 幅值 2 3 73 1 23 8 74 6 25 3 76 1 26 8 67 6 1 次数 1 1 5 01 6 04 31 71 03 7 3 c l n - 2幅值 3 46 291 1 81 4 61 7 4 12 0 2 12 3 0 1 次数8 9 9 8 74 2 2 03 4 3 6 1 1 2 29l c 3 2幅值 2 4 43 3 24 1 95 0 75 9 56 8 27 78 5 8 次数 1 1 4 01 8 05 42 21 2762 c 2 - 2幅值3 1 5 3 l7 5 l9 7 11 1 9 21 4 1 21 6 3 21 8 5 3 次数 8 3 6 9 93 0 1 5 92 7 8 62 3 15 7 1 71 04 1 8 ( 续表) c 2 1 幅值 3 0 25 0 67 19 1 41 1 1 91 3 2 31 5 2 71 7 3 1 次数 7 8 7 9