何文信，傅茂海，李亞威，李 杰

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

制動缸是列車制動過程中的關(guān)鍵部件，在制動動作實(shí)施過程中，制動缸座將承受較大的機(jī)械負(fù)荷，工作條件極為惡劣，因此制動缸座的強(qiáng)度和可靠性問題一直是制動計算設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。隨著高速重載列車的出現(xiàn)，對制動缸座的強(qiáng)化程度和性能要求不斷提高，制動缸在制動與緩解的交變載荷作用下承受復(fù)雜的變載荷作用，特別是在列車緊急制動時，制動缸座在較大的沖擊力作用下往往會在焊縫區(qū)形成疲勞裂紋，其強(qiáng)度計算和評估是制動缸座設(shè)計與計算中的難點(diǎn)。

在本世紀(jì)以前，我國對高速及重載列車可靠性的認(rèn)識和研究水平與先進(jìn)國家相比尚有一定差距,在投入實(shí)際運(yùn)營的機(jī)車車輛中,時有影響列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞,如準(zhǔn)高速客車CW-2轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的箱形側(cè)梁、“藍(lán)箭”號高速動力車車體底架變壓器安裝橫梁和某出口大功率內(nèi)燃機(jī)車底架主梁魚腹圓弧過渡部位等]1]的疲勞破壞,給機(jī)車車輛制造行業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失,也嚴(yán)重危及到鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

眾所周知，疲勞裂紋常起始于高應(yīng)力集中、強(qiáng)度薄弱區(qū)域，并最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。對于焊接結(jié)構(gòu)，由于焊接接頭部位存在較大的應(yīng)力集中，且常伴隨有各種焊接缺陷，顯然其是最容易發(fā)生疲勞破壞的區(qū)域]2-3]。因此，各種焊接接頭的疲勞強(qiáng)度分析是整個焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析的重點(diǎn)。目前，對焊縫疲勞強(qiáng)度的分析多采用基于各個標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的方法，主要有名義應(yīng)力法、結(jié)構(gòu)應(yīng)力法、缺口應(yīng)力—應(yīng)變法、斷裂力學(xué)法等。本文采用德國焊接協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)DVS1612—2009《Design and fatigue testing of welded steel joints in the railway》所規(guī)定的名義應(yīng)力法，得出焊縫節(jié)點(diǎn)材料利用度最大的10個節(jié)點(diǎn)，以確定焊縫是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的疲勞強(qiáng)度要求。

1 制動缸座的計算模型及載荷工況

1.1 制動缸座的計算模型

制動缸座是制動缸和車體底架之間的連接件，其三維模型如圖1所示。

將已有的制動缸座的三維模型導(dǎo)入到ANSYS中，制動缸座有限元分析模型采用空間笛卡爾坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系中，Z軸指向車輛運(yùn)行方向，Y軸與線路方向相垂直，X軸垂直于軌道平面，其正方向?yàn)樨Q直向上。制動缸座為鑄造件，采用Solid45單元對其進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，整體單元尺寸設(shè)置為7 mm，共離散為28 259個節(jié)點(diǎn)、21 030個實(shí)體單元。制造材料Q235的屬性如表1所示，制動缸座的有限元模型如圖2所示。

表1 制造材料Q235的屬性

1.2 制動缸座的載荷工況

根據(jù)制動缸的設(shè)計技術(shù)條件，在對制動缸座的焊縫進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評定時，需對制動缸座進(jìn)行臺架試驗(yàn)，其基本要求是：在制動缸活塞行程為155 mm、制動缸壓力為380 kPa的條件下進(jìn)行25萬次的耐久試驗(yàn)，才能滿足制動缸座焊縫的疲勞性能試驗(yàn)要求。

2 制動缸座焊縫的疲勞強(qiáng)度評定程序

本文根據(jù)德國焊接協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)DVS1612—2009對制動缸座焊縫采用名義應(yīng)力進(jìn)行評定，標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為通過有限元仿真或應(yīng)變儀測量的焊縫應(yīng)力應(yīng)該取距離焊縫焊趾1個～1.5個板厚的點(diǎn)的應(yīng)力作為該點(diǎn)的名義應(yīng)力，而且沿焊縫方向的正應(yīng)力、垂直于焊縫方向的正應(yīng)力及沿焊縫方向的剪應(yīng)力對焊縫的疲勞破壞起決定性作用，因此須分別考察三向應(yīng)力及應(yīng)力的組合效應(yīng)。焊縫的疲勞強(qiáng)度評定程序如圖3所示。

圖2 制動缸座的有限元模型

圖3 焊縫的疲勞強(qiáng)度評定程序

2.1 焊縫疲勞分析的控制參數(shù)

DVS1612—2009對焊接接頭的疲勞評估需要對三向應(yīng)力分別進(jìn)行評估，最后還要考察三向應(yīng)力的組合效應(yīng)。

各向應(yīng)力的材料利用度應(yīng)滿足式(1)的要求：

(1)

其中:σ∥為沿焊縫方向的正應(yīng)力；σ⊥為垂直焊縫方向的正應(yīng)力；τ為沿焊縫方向的剪應(yīng)力；σ∥.zul為沿焊縫方向的許用正應(yīng)力；σ⊥.zul為垂直焊縫方向的許用正應(yīng)力；τzul為沿焊縫方向的許用剪應(yīng)力；Uak.∥為沿焊縫方向正應(yīng)力的材料利用度；Uak.⊥為垂直于焊縫方向正應(yīng)力的材料利用度；Uak.τ為沿焊縫方向剪應(yīng)力的材料利用度。

處于多軸應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，其組合應(yīng)力的材料利用度Uak還應(yīng)滿足式(2)的要求：

(2)

2.2 焊縫分級及許用應(yīng)力的確定

DVS1612—2009將焊縫正應(yīng)力的疲勞特性分為9個等級，從B到F2；母材正應(yīng)力的疲勞特性分為2個等級，從A到AB;焊縫剪應(yīng)力的疲勞特性分為5個等級，從G到H-;母材剪應(yīng)力的疲勞特性只有一個等級，即G+。標(biāo)準(zhǔn)同時給出了相應(yīng)許用應(yīng)力的計算公式及許用應(yīng)力與循環(huán)應(yīng)力比Rτ的Moore-Kommers-Japer圖。材料Q235的許用正應(yīng)力σzul與循環(huán)應(yīng)力比Rσ及剪應(yīng)力τzul與循環(huán)應(yīng)力比Rτ的MKJ圖分別如圖4、圖5所示。圖5中的S235和S355為德國鋼牌號，對應(yīng)我國的Q235和Q345。

3 制動缸座焊縫的疲勞強(qiáng)度計算結(jié)果

通過讀取ANSYS的計算結(jié)果，編寫后處理程序，對疲勞計算結(jié)果進(jìn)行處理，制動缸座關(guān)于XOZ平面對稱，去除對稱節(jié)點(diǎn)可以得到制動缸座焊縫材料利用度最大的10個節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號、材料利用度及坐標(biāo)位置，如表2所示，疲勞強(qiáng)度最薄弱部位在圖6中的黑色圓圈。

圖4 DVS1612標(biāo)準(zhǔn)給出的正應(yīng)力的Moore-Kommers-Japer疲勞曲線

圖5 DVS1612標(biāo)準(zhǔn)給出的剪應(yīng)力的Moore-Kommers-Japer疲勞曲線

節(jié)點(diǎn)號材料利用度坐標(biāo)位置(mm)Uak．∥Uak．⊥Uak．τUakXYZ2570960．04790．93050．16800．8518153．51102．34276．002214250．08640．93850．08400．8143133．7691．00-10．002486960．88510．20030．19080．6826169．00106．44255．702486970．77850．42310．32830．5635169．00106．44251．642510590．06290．71130．08020．5610151．6491．30276．002508070．35070．47530．03770．5170155．1792．20276．002214320．03530．71130．09370．4909131．0091．00-10．002486980．59310．59740．35320．4790169．00106．44247．582486950．78100．25310．00130．4763169．00106．44259．762336060．02780．68540．13120．4687137．8491．00-10．00

圖6 制動缸座焊縫疲勞強(qiáng)度最薄弱的部位

從表2的結(jié)果可以得出：制動缸座焊縫每一個節(jié)點(diǎn)的各個應(yīng)力分量的材料利用度均小于1，總的材料利用度也小于1.1。根據(jù)DVS1612—2009可知，貨車制動缸座焊縫的疲勞強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

(1) 制動缸座承受著復(fù)雜的變載荷作用，在長期的服役過程中焊縫是其疲勞薄弱部位，因此必須通過仿真或者試驗(yàn)進(jìn)行焊縫疲勞強(qiáng)度校核和評估。

(2) 根據(jù)DVS1612—2009標(biāo)準(zhǔn)，使用名義應(yīng)力法對貨車制動缸座焊縫進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評估，評估結(jié)果表明制動缸座的焊縫疲勞強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其疲勞強(qiáng)度最薄弱的部位在前法蘭盤和座板連接處，在制造及使用過程中應(yīng)給予重視。

(3) 分析結(jié)果表明，制動缸座的焊縫在進(jìn)行臺架試驗(yàn)時可滿足25萬次的耐久試驗(yàn)，但在實(shí)際使用過程中載荷工況更加復(fù)雜，因此仿真分析只可作為參考。

參考文獻(xiàn)：

]1] 米彩盈.高速動力車承載結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度工程方法研究]D].成都：西南交通大學(xué)，2006:21-23.

]2] 周張義.高速貨車轉(zhuǎn)向架焊接部件疲勞強(qiáng)度研究]D].成都：西南交通大學(xué)，2009:112-114.

]3] 周張義，李芾，卜繼玲.基于名義應(yīng)力的焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評定方法研究]J].內(nèi)燃機(jī)車，2007(7)：1-4.

]4] 鄭李雄.鐵道車輛構(gòu)架焊接接頭疲勞評估方法研究]D].成都：西南交通大學(xué)，2015:24-26.

]5] 安琪.高速動車組轉(zhuǎn)向架柔性構(gòu)架動態(tài)特性研究]D].成都：西南交通大學(xué)，2013:64-68.

]6] D·拉達(dá)伊.焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度]M].鄭朝云，張式程，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

]7] Kim Myung-hyun,Kim Seong-min,Kim Young-nam,et al.A comparative study for the fatigue assessment of a ship structure by use of hot spot stress and structural stress approach]J].Ocean Engineering,2009，36(14):1067-1072.