動(dòng)車(chē)組車(chē)輛轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞壽命評(píng)估*

宗仁莉 侯茂銳

(1.鐵科院(北京)工程咨詢(xún)有限公司, 100081, 北京;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心, 100081, 北京∥第一作者, 工程師)

軌道交通車(chē)輛一系懸掛元件及部件由于受到來(lái)自輪軌間的劇烈振動(dòng)沖擊,在其服役運(yùn)用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)疲勞失效問(wèn)題[1-4]。轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)作為一系懸掛元件的核心,對(duì)車(chē)輛的安全運(yùn)行至關(guān)重要。因此,研究轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命具有重要意義。

文獻(xiàn)[5-6]利用有限元方法,計(jì)算動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的剛度變化,并對(duì)比分析基于Mooney-Rivlin與Ogden這2種橡膠本構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[7]采用Ogden橡膠本構(gòu)模型,計(jì)算分析某轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)變剛度橡膠球鉸的剛度,并結(jié)合S-N(應(yīng)力-壽命)曲線預(yù)測(cè)橡膠球鉸的疲勞壽命。文獻(xiàn)[8]使用仿真軟件計(jì)算的轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞壽命并不能代替疲勞試驗(yàn), 產(chǎn)品的疲勞壽命最終要通過(guò)疲勞試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。文獻(xiàn)[9]對(duì)CHR2型動(dòng)車(chē)組服役運(yùn)用60萬(wàn)km后的轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拆解、檢查,以及剛度的測(cè)試,并對(duì)其臺(tái)架進(jìn)行疲勞試驗(yàn),得到了轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)剛度退化過(guò)程。文獻(xiàn)[10]研究了試驗(yàn)頻率和載荷幅值增大對(duì)轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)的影響。轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞壽命試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng),費(fèi)用昂貴,因此,如何通過(guò)有效縮短疲勞試驗(yàn)時(shí)間來(lái)預(yù)測(cè)橡膠元件的疲勞壽命, 對(duì)于縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、節(jié)省資金有著重要意義。

本文選擇某型動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn),開(kāi)展3組工況共6個(gè)轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的疲勞試驗(yàn),獲得了不同載荷條件下轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的剛度變化率。以橡膠材料Ogden為本構(gòu)模型,建立了轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞壽命有限元仿真模型,分析了載荷對(duì)轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)損傷和疲勞壽命的影響規(guī)律,可為準(zhǔn)確評(píng)估轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞壽命提供技術(shù)支撐。

1 轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)采用多通道疲勞試驗(yàn)裝置,如圖1所示。該試驗(yàn)裝置主要包括龍門(mén)架、控制器、作動(dòng)器及液壓站等系統(tǒng),可用來(lái)進(jìn)行軌道交通車(chē)輛軸箱、空氣彈簧、抗側(cè)滾扭桿、牽引拉桿及橡膠堆的疲勞試驗(yàn)。由于轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)周期較長(zhǎng),為了縮減試驗(yàn)周期和試驗(yàn)成本,本文主要針對(duì)轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)徑向疲勞開(kāi)展疲勞試驗(yàn)。

圖1 轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)裝置

TB/T 2843—2015《機(jī)車(chē)車(chē)輛用橡膠彈性元件通用技術(shù)條件》規(guī)定,轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)中,徑向載荷為27 kN,疲勞試驗(yàn)的頻率一般為2～5 Hz,進(jìn)行1 000萬(wàn)次的疲勞試驗(yàn),轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)靜剛度小于20%。為了加速轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)剛度變化,縮短試驗(yàn)時(shí)間,在標(biāo)準(zhǔn)載荷27 kN的基礎(chǔ)上,將載荷增大至40 kN和90 kN,共設(shè)置3個(gè)工況,每個(gè)工況設(shè)置2個(gè)轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)工況

在試驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)載荷為27 kN和40 kN時(shí),200萬(wàn)次加載試驗(yàn)結(jié)束后,測(cè)試轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的徑向剛度;當(dāng)載荷為90 kN時(shí),加載100萬(wàn)次后測(cè)試轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的徑向剛度,繼續(xù)加載100萬(wàn)次后再次測(cè)試轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的徑向剛度。測(cè)試轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)徑向剛度時(shí),檢查其橡膠的表面狀態(tài),并做好相應(yīng)記錄。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

完成6個(gè)轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)樣本的疲勞試驗(yàn),測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)前后轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)徑向剛度對(duì)比

由表2可以看出:當(dāng)徑向載荷為27 kN和40 kN時(shí),轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)進(jìn)行200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后,其徑向剛度變化較小,其中,載荷為27 kN對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)最大徑向剛度變化率為2.5%,載荷為40 kN對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)最大徑向剛度變化率為4.2%。當(dāng)徑向載荷增加到90 kN時(shí),轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)進(jìn)行100萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后,其徑向剛度變化率最大可達(dá)17.4%;轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)完成200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后,其徑向剛度最大變化率達(dá)到25.3%,徑向剛度衰減較快。

綜上,在徑向載荷為27 kN及40 kN的工況下,200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)外觀未見(jiàn)明顯變化;由于轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)徑向剛度較大(名義值為120 kN/mm),雖徑向疲勞載荷高達(dá)27 kN,但由于其受載時(shí)徑向變形較小,對(duì)疲勞后產(chǎn)品性能的影響較小。當(dāng)徑向載荷增加到90 kN,完成200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后,檢查轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)表面狀態(tài)發(fā)現(xiàn),橡膠出現(xiàn)部分溶膠現(xiàn)象,但并未出現(xiàn)明顯裂紋。轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)后的外觀狀態(tài)如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)后的外觀狀態(tài)

2 轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)有限元分析

2.1 材料本構(gòu)模型

轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)一般由芯軸、橡膠層和軸套等三部分組成。其中,橡膠層可以提供不同的徑向剛度,以滿(mǎn)足轉(zhuǎn)向架一系定位的要求。

橡膠作為一種黏彈性材料,不能簡(jiǎn)單地采用彈性模量和泊松比等物理量表征。描述橡膠材料力學(xué)性能的方法主要分為兩類(lèi):一類(lèi)將橡膠考慮為連續(xù)介質(zhì),另一類(lèi)是基于熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的理論研究與工程實(shí)踐,Mooney-Rivlin模型和Ogden模型這兩類(lèi)基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的現(xiàn)象學(xué)模型應(yīng)用較廣。Mooney-Rivlin模型與Ogden模型在小變形條件下與單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致,但在大變形條件下, Mooney-Rivlin模型與試驗(yàn)結(jié)果存在較大偏差,Ogden模型則吻合得較好。本文選取Ogden本構(gòu)模型表征橡膠材料屬性,以建立精確的轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)有限元模型。

Ogden模型以橡膠材料伸長(zhǎng)率為自變量,不僅可以很好地表征橡膠材料的小變形問(wèn)題,對(duì)于橡膠材料的大變形問(wèn)題也能取得良好的精度。其應(yīng)變能U為:

(1)

式中:

λ1,αi、λ2,αi、λ3,αi——橡膠材料的伸長(zhǎng)率;

i——Ogden模型階數(shù),階數(shù)越高,模型的擬合精度越高,i=1,2,…,N;

J——體積壓縮比;

Di——材料是否可壓縮;

αi、μi——材料系數(shù)。

2.2 轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)有限元模型的建立

進(jìn)行有限元分析時(shí),在保證計(jì)算結(jié)果的前提下可對(duì)幾何模型簡(jiǎn)化處理,以減少計(jì)算時(shí)間,提升分析效率。轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)幾何結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱(chēng),建立有限元模型時(shí)可采用1/2結(jié)構(gòu),并忽略細(xì)小的倒角及芯軸兩端的螺紋孔等不影響分析結(jié)果的幾何特征。

將幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入有限元軟件,定義材料參數(shù)、網(wǎng)格類(lèi)型、邊界條件等。設(shè)置芯軸和軸套材料的泊松比為0.3,彈性模量為206 GPa。Ogden模型中的橡膠材料參數(shù)分別為:μ1=1.33×10-4,α1=12.56,μ2=1,α2=1。金屬網(wǎng)格單元類(lèi)型設(shè)置為八節(jié)點(diǎn)六面體線性縮減積分單元C3D8R,橡膠層網(wǎng)格單元類(lèi)型設(shè)置為八節(jié)點(diǎn)六面體雜交單元C3D8H。轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)有限元模型如圖3所示。考慮轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的實(shí)際承載情況,對(duì)有限元模型分別施加徑向和軸向載荷。沿xOz平面施加對(duì)稱(chēng)約束,徑向加載時(shí)約束芯軸兩端的安裝平面[11]。

圖3 轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)有限元模型

2.3 轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞壽命有限元模型

為進(jìn)一步分析載荷對(duì)轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)服役性能的影響,在有限元結(jié)構(gòu)性能分析的基礎(chǔ)上,對(duì)轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)施加諧波載荷進(jìn)行疲勞壽命分析,探究其疲勞耐久性。與芯軸和軸套相比,橡膠層更容易出現(xiàn)疲勞損傷。本研究著重關(guān)注橡膠層的疲勞壽命。

橡膠材料具有超彈性,在外部載荷作用下通常會(huì)發(fā)生大變形,這一點(diǎn)不同于金屬材料,不宜采用von Mises應(yīng)力評(píng)估其疲勞性能。轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)承載情況復(fù)雜,應(yīng)采用主應(yīng)力法結(jié)合橡膠材料S-N曲線對(duì)疲勞壽命進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)可采用3個(gè)方向的主應(yīng)力表示,并以此作為疲勞壽命計(jì)算的損傷參量。已知:

(2)

式中:

σf——3個(gè)主應(yīng)力的等效應(yīng)力;

σj——3個(gè)方向上的主應(yīng)力,j=1,2,3;

a1、a2——主應(yīng)力系數(shù)(當(dāng)σ2、σ3>0時(shí),a1=a2=1;當(dāng)σ3≤σ2≤0時(shí),a1=a2=0)。

以轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力作為疲勞損傷參量,其與疲勞壽命之間的關(guān)系為:

Nf=KPd

(3)

式中:

Nf——轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命;

P——損傷參量;

K和d——材料參數(shù),可由轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)結(jié)果得到。

根據(jù)疲勞載荷工況,對(duì)轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)有限元模型施加諧波載荷,提取主應(yīng)力值,并結(jié)合金屬和橡膠材料S-N曲線[12],計(jì)算轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的徑向疲勞壽命。

2.4 轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞壽命有限元結(jié)果分析

不同載荷下轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的徑向、軸向疲勞壽命結(jié)果分別見(jiàn)表3和表4。

表3 轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的徑向疲勞壽命

表4 轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的軸向疲勞壽命

由表3可知:徑向載荷由27 kN增大至100 kN的過(guò)程中,轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷逐漸增大,疲勞壽命急劇下降,由790萬(wàn)次降低至88萬(wàn)次。

由表4可知:轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的軸向疲勞損傷明顯小于徑向疲勞損傷,隨著軸向載荷由27 kN增大至100 kN,疲勞壽命由948萬(wàn)次降低至133萬(wàn)次。

圖4為載荷為27 kN時(shí)的轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞壽命云圖。其他載荷對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞壽命分布特征與載荷為27 kN時(shí)類(lèi)似。

a) 徑向

由圖4可知:轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)徑向和軸向疲勞損傷的最大位置位于受載側(cè)兩端。當(dāng)載荷增大時(shí),轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷逐漸向兩端部擴(kuò)散,最終匯聚至橡膠層兩端內(nèi)外表面,這與轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)性能分析中應(yīng)力-應(yīng)變分布趨勢(shì)相近,且損傷值也逐漸擴(kuò)大。圖4中轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞損傷較大的部位與工程實(shí)際中轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)疲勞破壞的部位相同,該結(jié)果驗(yàn)證了轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)在徑向、軸向載荷作用下疲勞耐久性分析的正確性。

3 結(jié)語(yǔ)

1) 對(duì)6個(gè)轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)開(kāi)展3組不同載荷條件下的疲勞壽命試驗(yàn)。當(dāng)徑向載荷為27 kN和40 kN時(shí),轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)完成200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后,其徑向剛度變化較小,最大徑向剛度變化率分別為2.5%和4.2%,疲勞試驗(yàn)后轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)外觀未見(jiàn)明顯變化。當(dāng)徑向載荷增加到90 kN時(shí),轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)完成100萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后,其徑向剛度變化率達(dá)到17.4%;轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)完成200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后,其徑向剛度變化率達(dá)到25.3%,徑向剛度衰減速率明顯加快,達(dá)到失效限值。疲勞試驗(yàn)后轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)橡膠出現(xiàn)部分溶膠現(xiàn)象,但并未出現(xiàn)明顯裂紋。

2) 轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞壽命仿真計(jì)算結(jié)果表明,轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)橡膠層疲勞損傷的最大位置位于受載側(cè)兩端。隨著載荷幅值的增加,轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞損傷逐漸向兩端部擴(kuò)散,最終匯聚至橡膠層兩端內(nèi)外表面,這與轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)性能分析中應(yīng)力-應(yīng)變分布趨勢(shì)相近,且損傷值也逐漸擴(kuò)大。相應(yīng)地,轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞壽命隨著載荷的增加逐步減小,載荷由27 kN增大至100 kN,轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)疲勞壽命急劇下降,徑向疲勞壽命由790萬(wàn)次降低至88萬(wàn)次,軸向疲勞壽命由948萬(wàn)次降低至133萬(wàn)次。