不同鑄造缺陷下的L-B 型制動梁閘瓦托疲勞壽命預(yù)測*

俞正寬，朱 濤，肖守訥，陽光武，楊 冰

（西南交通大學(xué) 牽引動力學(xué)國家重點實驗室，成都 610031）

目前，隨著鐵路貨車朝著重載和快速的方向發(fā)展，列車制動過程中的安全問題就顯得尤為重要。制動梁是基礎(chǔ)制動裝置中的一個重要結(jié)構(gòu)，對貨車整體的制動性能有著重要影響［1］。而閘瓦托作為制動梁中的關(guān)鍵組成部分，主要負責(zé)支撐制動梁梁體和連接閘瓦，其在使用過程中受力狀態(tài)也較為復(fù)雜，因此有必要對其疲勞壽命進行預(yù)測分析。為后續(xù)的生產(chǎn)檢修運用提供一定的指導(dǎo)意義。

近年來，有些專家學(xué)者對我國鐵路貨車制動梁的閘瓦托進行相關(guān)研究。劉振明對L-B 型制動梁閘瓦托進行實物解剖分析，并對出現(xiàn)缺陷的部位進行探傷和金相檢驗，對其常見的缺陷進行分類和判別，找出缺陷原因，并提供了幾種改進建議［2］。李永闖發(fā)現(xiàn)L-B 型制動梁閘瓦托在車輛制動試驗時存在閘瓦上部與車輪貼靠不嚴(yán)的問題，針對此問題，進行檢測和分析，認為是由閘瓦托同向后仰變形造成的，并從其結(jié)構(gòu)本身的角度，提出了解決辦法和改進建議［3］。王錦奎針對L-B 型制動梁閘瓦托在不同檢修周期中出現(xiàn)的一些問題進行統(tǒng)計，并對不同故障產(chǎn)生的原因進行總結(jié)，最后從制造工藝和檢修作業(yè)流程等方面提供了相關(guān)的改進建議［4］。

針對閘瓦托的這些研究，大部分是對閘瓦托實際的故障進行統(tǒng)計分析，并對其結(jié)構(gòu)和檢修工藝流程進行調(diào)整優(yōu)化，但很少有從仿真的角度，將鑄造工藝所導(dǎo)致的缺陷考慮在內(nèi)，對其疲勞壽命進行預(yù)測。因此文中以當(dāng)前我國鐵路貨車L-B 主型制動梁為例，對閘瓦托進行受力分析，結(jié)合靜力分析結(jié)果，并重點考慮鑄造缺陷所帶來的影響，對其在不同鑄造缺陷下的疲勞壽命進行預(yù)測。

1 閘瓦托結(jié)構(gòu)有限元分析

L-B 型制動梁的結(jié)構(gòu)和主要受力如圖1 所示。閘瓦托結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要有閘瓦托底部、閘瓦托滑塊根部以及閘瓦托圓弧3 大部分。其底部有鉚釘孔，主要通過鉚釘和制動梁的梁架相連接；在滑塊的根部處有銷釘孔，通過銷釘孔和磨耗套相連，并固定在側(cè)架滑槽處；圓弧部分設(shè)有相應(yīng)的卡槽，用來和閘瓦進行連接。

圖1 L-B 型制動梁結(jié)構(gòu)與受力

圖2 閘瓦托結(jié)構(gòu)圖

通過對制動梁整體進行有限元分析，確定閘瓦托結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀態(tài)。制動梁整體主要由兩側(cè)的閘瓦托滑塊進行支撐，工作時，主要承受來自從制動缸傳遞至中間支柱處的制動力，以及制動過程中，輪對對閘瓦托圓弧處的切向摩擦力。

根據(jù)制動梁整體的受力特點，建立其有限元分析模型，制動梁的有限元模型如圖3 所示。在滑塊處添加固定約束，同時在制動梁的支柱中心銷孔位置施加制動力，在兩側(cè)的閘瓦托圓弧處施加切向的摩擦力。根據(jù)《鐵路貨車組合式制動梁試驗方法》［5］對其制動力和摩擦力大小進行計算，制動力Fn的表達式為式（1）：

圖3 制動梁有限元模型邊界條件

式中：D為制動缸直徑，取356 mm；P為緊急制動時制動缸空氣壓力，取420 kPa；n為制動梁倍率，取10；m為1 輛車上的制動梁數(shù)量，取4。因此根據(jù)公式，計算得出制動力為104.5 kN。

制動梁每個閘瓦托受到的摩擦力Fq為式（2）：

式中：Fn為制動力，取104.5 kN；f為車輪和閘瓦間的摩擦系數(shù)，取0.418，因此每個閘瓦托受到的切向摩擦力為21.8 kN。

對制動梁整體進行有限元計算后，單獨將閘瓦托的應(yīng)力結(jié)果提取出來，確定其薄弱位置，閘瓦托的應(yīng)力云圖如圖4 所示。

圖4 閘瓦托應(yīng)力云圖

根據(jù)閘瓦托計算的應(yīng)力結(jié)果可知，閘瓦托最大應(yīng)力值為191 MPa，閘瓦托整體所受到的應(yīng)力值均在屈服強度280 MPa 以內(nèi)，因此其靜強度結(jié)果滿足要求。最大應(yīng)力值出現(xiàn)在閘瓦托滑塊根部，為閘瓦托最薄弱部位，對閘瓦托進行疲勞預(yù)測時，應(yīng)重點關(guān)注此部位。

2 不同鑄造缺陷下的閘瓦托結(jié)構(gòu)S-N 曲線

2.1 閘瓦托材料S-N 曲線

L-B 型制動梁閘瓦托的材料為B 級鑄鋼，在《鐵道貨車鑄鋼搖枕、側(cè)架技術(shù)條件》［6］中，對B 級鋼的材料的性能規(guī)定見表1。

表1 B 級鋼的力學(xué)性能

目前對于B 級鋼材料的S-N曲線試驗數(shù)據(jù)研究較少，因此文中根據(jù)以上參數(shù)對B 級鋼的S-N曲線進行參數(shù)估計。

材料的疲勞曲線是應(yīng)力S和循環(huán)次數(shù)N的基本關(guān)系，一般在應(yīng)力比R=-1 時，即對稱循環(huán)載荷下測得。描述材料S-N曲線較為常用的是冪函數(shù)形式，其方程為式（3）：

式中：m和C均是和材料相關(guān)的參數(shù)，通過對式（3）兩邊取對數(shù)，得到式（4）：

式中：A=lgC/m，B=-1/m。通過式（4）可看出，應(yīng)力S和循環(huán)次數(shù)N在雙對數(shù)坐標(biāo)下，二者成線性關(guān)系，材料的S-N曲線如圖5 所示。

圖5 材料的基本S-N 曲線

根據(jù)圖5 所示，只需知道2 個點，就可以推算出材料的S-N曲線。圖中當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于Nf時，材料不產(chǎn)生疲勞損傷，為無限壽命，Nf所對應(yīng)的應(yīng)力值Sf稱為疲勞極限。對于鋼材而言，Nf一般為107次，根據(jù)B 級鋼的抗拉強度Su，可以對其S-N曲線參數(shù)進行估計。根據(jù)參考文獻［7］，在應(yīng)力比R=-1 時，材料在拉壓載荷作用下，材料的參數(shù)可以做如下的近似估計：當(dāng)Nf=107次時，Sf=0.35Su，當(dāng)N1=103次時，S1=0.9Su。

確定了圖中2 點坐標(biāo)后，可以算出式（4）中的參數(shù)A和B：

B 級鋼的抗拉強度Su取485 MPa。根據(jù)上述的公式可以計算出，Sf=0.35Su=169.75 MPa，S1=0.9Su=436.5 MPa，B=-0.102 5，A=2.948。

因此可以得到B 級鋼在應(yīng)力比R=-1 時的SN曲線方程為式（7）：

其對應(yīng)的S-N曲線如圖6 所示：

圖6 B 級鋼材料的S-N 曲線

2.2 閘瓦托結(jié)構(gòu)的S-N 曲線

由于閘瓦托整體采用鑄造的加工方式，因此在計算其疲勞壽命時，要將鑄造缺陷所帶來的影響考慮在內(nèi)。因此需要對閘瓦托材料的S-N曲線進行適當(dāng)修正，得到可用于閘瓦托疲勞分析的S-N曲線。修正時，主要引入疲勞強度降低系數(shù)kf對其疲勞極限值進行修正，即改變材料曲線中107次循環(huán)下的應(yīng)力值，對103次下的應(yīng)力值保持不變［8］。根據(jù)AAR 標(biāo)準(zhǔn)［9］中，不同的鑄造缺陷對應(yīng)不同的疲勞強度降低系數(shù)，具體見表2。

表2 AAR 標(biāo)準(zhǔn)中不同鑄造缺陷下的疲勞強度降低系數(shù)

根據(jù)不同的缺陷狀態(tài)確定疲勞強度降低系數(shù)，并計算得到不同疲勞強度降低系數(shù)下的材料S-N曲線參數(shù)和方程，見表3。根據(jù)方程，繪制出相應(yīng)的S-N曲線，如圖7 所示。

圖7 不同疲勞強度降低系數(shù)下的閘瓦托疲勞曲線

表3 不同疲勞強度降低系數(shù)下的S-N 曲線參數(shù)和方程

3 閘瓦托疲勞壽命預(yù)測

3.1 疲勞載荷譜

根據(jù)《鐵路貨車組合式制動梁》中，對于制動梁施加的疲勞載荷為制動力載荷與摩擦力載荷，其載荷大小與靜強度載荷一致。其二者的加載波形如圖8 所示，加載頻率最高不超過4 Hz。Fn為制動力，大小為104.5 kN，主要施加在制動梁的支柱圓銷孔處；Fq為摩擦力，大小為21.8 kN，主要施加在制動梁兩側(cè)閘瓦托的圓弧面處。標(biāo)準(zhǔn)載荷譜中規(guī)定以制動力加載頻次為基準(zhǔn)，施加頻次達到100萬次（對應(yīng)160 萬km），制動梁各部位均不應(yīng)出現(xiàn)裂紋，證明該制動梁產(chǎn)品合格。

圖8 制動梁的疲勞載荷譜

3.2 疲勞壽命預(yù)測方法

文中主要采取名義應(yīng)力法對閘瓦托進行疲勞壽命預(yù)測。用該方法結(jié)合被分析零構(gòu)件的S-N曲線，再通過計算分析得出結(jié)構(gòu)疲勞危險部位的名義應(yīng)力，最后結(jié)合平均應(yīng)力修正以及疲勞累積損傷理論，對其疲勞壽命進行預(yù)測評估。閘瓦托結(jié)構(gòu)的疲勞壽命分析步驟和流程如圖9 所示：

圖9 閘瓦疲勞壽命分析流程

（1）根據(jù)閘瓦托結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果，確定其疲勞薄弱位置，并求解出薄弱位置的名義應(yīng)力。

（2）確定結(jié)構(gòu)的疲勞載荷譜，將載荷譜施加到結(jié)構(gòu)分析中，確定結(jié)構(gòu)的應(yīng)力譜。

（3）在計算過程中，基于不同鑄造缺陷的閘瓦托結(jié)構(gòu)S-N曲線，采用Goodman 公式，對平均應(yīng)力進行修正，并結(jié)合Miner 線性累積損傷理論，求出不同鑄造缺陷系數(shù)下的閘瓦托疲勞壽命。

3.3 疲勞壽命分析結(jié)果

根據(jù)上述疲勞分析步驟，對閘瓦托的疲勞壽命進行計算分析。按照標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的疲勞載荷譜作為輸入，并將循環(huán)次數(shù)和里程數(shù)進行折算，得到不同鑄造缺陷下的閘瓦托疲勞壽命及其使用里程。首先得到不同鑄造缺陷下的閘瓦托疲勞壽命循環(huán)次數(shù)，見表4。在此基礎(chǔ)上，將疲勞壽命循環(huán)次數(shù)與里程數(shù)進行折算，進而得到相應(yīng)的閘瓦托里程壽命，如圖10 所示。

圖10 不同疲勞強度降低系數(shù)下的閘瓦托疲勞壽命

表4 不同鑄造缺陷下的閘瓦托疲勞壽命結(jié)果

由表4 中統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，在無缺陷和小缺陷的理想狀態(tài)下，閘瓦托疲勞循環(huán)次數(shù)達到截止次數(shù)，即107次，此時閘瓦托為無限壽命；在中等鑄造缺陷下，閘瓦托壽命里程急劇減小，對應(yīng)里程約為224萬km；在大的鑄造缺陷下，閘瓦托的使用壽命較短，均不到100 萬km，小于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的160 萬km，使用壽命較低，均屬于不合格產(chǎn)品。

4 總 結(jié)

文中確定了L-B 型制動梁閘瓦托結(jié)構(gòu)薄弱位置的基礎(chǔ)上，對不同鑄造缺陷下的結(jié)構(gòu)疲勞壽命進行預(yù)測分析，得到有關(guān)結(jié)論如下：

（1）閘瓦托結(jié)構(gòu)受鑄造工藝缺陷的影響，結(jié)構(gòu)的S-N曲線與光滑材料試驗下的S-N曲線相比有顯著的不同，在疲勞計算時應(yīng)重點考慮鑄造缺陷對閘瓦托材料性能的影響，采用不同鑄造缺陷下的S-N曲線才能得到相對準(zhǔn)確的疲勞壽命結(jié)果。

（2）以標(biāo)準(zhǔn)中的疲勞載荷譜對閘瓦托進行疲勞計算，計算過程中考慮平均應(yīng)力的影響，結(jié)合Miner 線性累積損傷理論，得到不同鑄造缺陷下的閘瓦托疲勞壽命；在無缺陷和小缺陷的理想狀態(tài)下，閘瓦托接近于無限壽命；在中等鑄造缺陷下，閘瓦托壽命急劇減小，對應(yīng)里程約為224 萬km；在大的鑄造缺陷下，閘瓦托的使用壽命小于100 萬km，低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的160 萬km。

基于文中的分析可知閘瓦托在生產(chǎn)制造過程中，應(yīng)嚴(yán)格把控鑄造工藝，避免產(chǎn)生大的鑄造缺陷，在檢修維護中，應(yīng)重點關(guān)注閘瓦托根部位置；要得到更準(zhǔn)確的疲勞壽命結(jié)果，應(yīng)從閘瓦托取樣，進行材料疲勞性能測試，得到更準(zhǔn)確的材料數(shù)據(jù)，或者為閘瓦托設(shè)計相應(yīng)的工裝，進行整體疲勞試驗。