车辆铸钢件疲劳寿命预测方法对比分析

耿 平，段元勇，兆文忠

(1.济南轨道交通装备有限责任公司 研究院，山东 济南 250022 2.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)＊

0 引言

随着铁路重载和高速的发展，车辆铸钢件的疲劳破坏问题引起了广泛关注，其成因较为复杂，已成为影响车辆发展的重要因素.为确保行车安全，对车辆铸钢件的使用期限提出了更高的要求，在产品设计阶段就对车辆铸钢件的疲劳寿命进行准确预测，是当前铁路发展的迫切需求.

目前，应用比较广泛的车辆铸钢件疲劳寿命评估体系有:北美铁路协会机务AAR标准，以及德国机械工程研究委员会FKM标准.本文将两种方法从本质上做了对比研究，并以某B级铸钢侧架为例将两种方法的计算进行了对比，对疲劳寿命的准确预测具有重要意义.

1 AAR标准的疲劳强度分析方法

AAR标准对铸钢件的疲劳评定采用名义应力法，以S-N曲线或Goodman曲线为依据，对分析需要的疲劳应力谱，根据线性累积损伤法则进行疲劳强度的分析.疲劳分析运算的流程为［1］:

a.运用雨流计数法获得应力-时间历程的雨流循环，获得分析所需要的疲劳应力谱;

b.考虑缺口形状效应，零件表面粗糙度等疲劳强度的影响因素，选择适当的S-N曲线;

c.确定应力谱的哪一部分应力幅值超过疲劳损伤极限;

2 FKM标准的疲劳强度分析方法

FKM标准是根据机械产品在实际工程中的应用情况，统计出来的关于极限强度和疲劳强度的使用规则.其进行疲劳寿命分析的流程为［4］:

a.确定载荷谱下的名义应力;

b.根据图1，输入相应的材料参数进行通用铸钢件的S-N曲线修正;

图1 S-N曲线的修正过程

c.在给定期望寿命的条件下，评价X、Y、Z三个方向的每个主应力分量的利用度aBK:

式中:aBK为利用度;Sa为应力幅;σBH为构件使用强度;jges为总体安全系数.

d.将每个分量的利用度合成得到总利用度aBK_v，若单个利用度和总利用度均≤1，则构件能达到期望寿命.

3 AAR和FKM方法对比研究

AAR标准和FKM标准对铸钢件的疲劳寿命评定均采用疲劳极限法，AAR标准采用一定缺陷系数Kf试验条件下的S-N曲线，对已知S-N曲线的构件可以方便快速的进行疲劳寿命预测，这个方法的优点是简单明了，具有针对性;FKM标准采用经验公式修正的S-N曲线，可以对未知S-N曲线的构件进行疲劳寿命预测，这个方法的优点是具有通用性，但是在选择合适的参数时比较复杂.

在疲劳寿命的预测过程中，AAR标准采用Miner累积损伤值作为评价指标，FKM标准使用利用度作为评价指标，为了使两者具有可比性，将利用度与累积损伤值的关系进行如下转化:

FKM标准通用S-N曲线(图2)的左段:

式中:σAK为N次循环次数下的疲劳强度极限;N为S-N曲线拐点处的循环次数;m为S-N曲线指数(图2中，m=5).

图2 FKM标准通用铸钢件的S-N曲线(Ⅰ)

4 应用案例的结果对比

本文以三大件式转向架中的某B级铸钢侧架为例，分别采用AAR标准和FKM标准进行疲劳寿命预测，并将两个标准下的计算进行对比.

4.1 S-N 曲线

4.1.1 基于AAR标准的S-N曲线

AAR研究报告R-387“关于制定疲劳设计使用的缺陷—品质判据的AAR指南说明”，缺陷系数Kf=1.5下B级铸钢的S-N曲线见图3，图4.

图3 B级铸钢件对称循环的S-N曲线

图4 B级铸钢件零拉和零压脉动循环的S-N曲线

4.1.2 基于FKM标准的S-N曲线

FKM标准中铸钢件的通用S-N曲线如图2所示，对于本文中的 B级铸钢(抗拉强度为485MPa，最小屈服强度为260 MPa)的具体S-N曲线需按图1进行修正.在修正过程中，缺陷系数Kf为1.5;表面粗糙度系数KR，σ根据其与表面粗糙度、抗拉强度的关系选取;平均应力系数KAK，σ根据其与应力比，平均应力灵敏度，平均应力，应力幅的关系选取.

4.2 疲劳载荷加载及考核标准

疲劳载荷的加载依据AAR机务标准M-203-05“铸钢转向架侧架设计和试验规范”中规定的试验循环次数，疲劳载荷与考核标准如表1所示.

表1 疲劳载荷工况与考核标准

4.3 计算模型

采用高精度十节点四面体单元(Tet10)对侧架结构进行离散，共计708788个单元，1169267个结点.侧架的有限元离散模型图如图5所示［5］.

图5 侧架结构离散网格模型

4.4 疲劳寿命预测结果对比

4.4.1 AAR标准的疲劳寿命预测

基于最大﹑最小主应力或等效应力准则进行薄弱部位的疲劳寿命预测，结果见表2.

由表2可见，各载荷工况下侧架的疲劳累积损伤均小于1，能通过31.25万次的疲劳试验.

表2 疲劳试验载荷下大应力点疲劳损伤计算结果

表3 疲劳试验载荷下危险点利用度计算结果

4.4.2 FKM标准的疲劳寿命预测

FKM标准的疲劳寿命预测需要铸钢侧架的具体点位置.采用可视化的运算法则，施加准静态载荷得到侧架的最大利用区域，并通过实际运用中疲劳裂纹的调研，经过对比分析确定侧架的缺陷分析部位.在此，选取导框内弯角处(节点:95443)和枕簧承台弯角处(节点:97643)2个危险点进行分析.分析结果见表3.

由表3可见，各载荷工况下侧架危险点的利用度和总利用度均小于1，能通过31.25万次的疲劳试验.

4.4.3 结果对比分析

以侧架的危险节点95443和97643为例，据本文中累积损伤与总利用度的关系，基于AAR和FKM标准的累积损伤结果对比如表4所示.

表4 危险节点的累积损伤对比计算结果

由表4可见，AAR标准和FKM标准分别计算的疲劳累积损伤基本一致.

5 结论

AAR标准和FKM标准疲劳寿命预测的方法本质是一样的，计算结果是趋于一致的，但是，输入条件是不同的，因此，为了确保预测的可靠性，建议两种方法要同时使用，一旦两种方法的结果趋于一致，预测的寿命是可信的.

［1］美国铁路标准.AAR机务标准手册［M］.美国:北美铁路协会，1999.

［2］程海涛，于文涛，刘宏友.国内外货车转向架主要标准对比分析［J］.铁道车辆，2004(5):11-15.

［3］赵少汴，王忠保.抗疲劳设计［M］.北京:机械工业出版社，1997.

［4］ERWIN HAIBACH.Analytical Strength Assessment of Components in Mechanical Engineering［M］.5th ed，［s.l.］:FKM-Guideline，2003.

［5］济南轨道交通装备有限责任公司.JJZ23转向架侧架静强度、刚度、疲劳强度有限元分析报告［R］.济南:济南轨道交通装备有限责任公司，2011.