基于運用狀態(tài)下的空氣彈簧可靠性評價方法*

方 宇 張國富 潘 震 王 鑫

(上海工程技術大學城市軌道交通學院,201620,上?！蔚谝蛔髡?教授)

基于運用狀態(tài)下的空氣彈簧可靠性評價方法*

方 宇 張國富 潘 震 王 鑫

(上海工程技術大學城市軌道交通學院,201620,上?！蔚谝蛔髡?教授)

針對城市軌道交通車輛空氣彈簧在使用過程中其理論壽命與實際檢修周期存在差異,提出了一種以車輛實際運用狀態(tài)為背景,基于多體動力學、非線性有限元分析和虛擬疲勞壽命聯(lián)合仿真的空氣彈簧可靠性評價方法。以某型城市軌道交通車輛為例,通過該方法計算得出的空氣彈簧的失效結果與現(xiàn)場實測的真實損傷情況相吻合,證實了該方法的科學性。使用該方法對該型空氣彈簧在8年理論壽命至10年大修期間的可靠性進行了研究。結果表明，在此期間空氣彈簧膠囊的失效率增加0.73%,錐形應急簧的失效率增加1.28%。由此,可以推斷該時間段內空氣彈簧滿足可靠性的使用要求。

城市軌道交通車輛; 空氣彈簧; 疲勞壽命; 可靠性評價

Author′s address Institute of Urban Rail Transit,Shanghai University of Engineering Science,201620,Shanghai,China

目前,城市軌道交通維護保障企業(yè)選定的車輛分解檢修時間節(jié)點通常為5年(架修)、10年(大修),而現(xiàn)有空氣彈簧理論壽命為8年，不能與這兩個時間節(jié)點相匹配。針對這一問題，車輛檢修企業(yè)通常的做法有兩種:一是在5年架修時對空氣彈簧進行提前報廢,造成大量空氣彈簧剩余壽命的浪費和經濟損失;二是架修期間對空氣彈簧進行檢查,如無問題則繼續(xù)裝車使用,但此種情況下存在空氣彈簧理論壽命至大修期間的安全空窗現(xiàn)象,軌道交通運營企業(yè)將承擔較大的運營風險[1-2]。

空氣彈簧實際使用壽命與由設計經驗所得的空氣彈簧理論壽命之間的差別較大,且基于車輛運用狀態(tài)下的空氣彈簧實際使用壽命方面的研究尚未見諸報道。針對該問題,提出了一種基于多體動力學、非線性有限元分析和虛擬疲勞壽命聯(lián)合仿真的空氣彈簧可靠性評價方法,期望利用該方法對列車實際運用工況下的空氣彈簧壽命進行評估,從而對城市軌道交通運維企業(yè)合理評判空氣彈簧使用性能提出合理化建議。該方法對空氣彈簧設計企業(yè)同樣具有較為重要的參考價值。

1 可靠性評價方法概述

運用該方法進行空氣彈簧可靠性評價的具體技術路線如圖1所示。

(1) 通過城市軌道交通車輛實際動力學參數(shù)及軌道線路參數(shù)的設置,運用多體動力學建模方法建立相應型號車輛、空氣彈簧和軌道線路的多體動力學模型,在SIMPACK軟件中通過模擬運行獲得該型號空氣彈簧在列車運行過程中的載荷-時間歷程曲線[3]。

圖1 空氣彈簧可靠性評價的技術路線

(2) 運用有限元分析軟件ABAQUS建立空氣彈簧的精確有限元模型,并將載荷-時間歷程曲線導入有限元模型進行瞬態(tài)響應分析,獲得空氣彈簧膠囊和錐形應急簧的應力數(shù)據(jù)。

(3) 基于虛擬疲勞試驗原理,將車輛多體動力學仿真結果、有限元計算結果通過Fe-safe疲勞壽命分析軟件做進一步計算,獲得空氣彈簧的疲勞損傷情況。

(4) 結合疲勞損傷理論和空氣彈簧的虛擬疲勞損傷結果進行綜合分析,對運用狀態(tài)下的空氣彈簧可靠性進行判斷,從而為空氣彈簧設計企業(yè)和車輛檢修企業(yè)提出合理化建議。

2 可靠性評價方法科學性驗證

2.1 空氣彈簧多體動力學仿真

運用SIMPACK多體動力學仿真軟件建立了圖2所示某型式城市軌道交通車輛動力學模型,其中包括輪軌關系模型、軌道線路模型、車體模型、空氣彈簧動力學模型和空氣彈簧載荷譜等[4]。表1為輪軌系統(tǒng)建模主要參數(shù)。軌道線路參數(shù)設置采用了一段長度為10 km的某城市軌道交通實際線路參數(shù)。

模型建立完畢,采用離線積分法(Perform TimeInt+Measurement)對模型進行計算,獲取空氣彈簧的垂向、縱向和橫向載荷-時間歷程曲線(見圖3～圖5),作為空氣彈簧疲勞壽命計算用載荷數(shù)據(jù)。

圖2 某車型整車多體動力學模型

參數(shù)名稱參數(shù)值轉向架中心距/mm15700軸距/mm25000軌距/mm1435車輪滾動圓橫向跨距/mm15330車輪滾動圓直徑/mm840輪對內側距/mm13580車輪外形S1002鋼軌外形UIC_60車體質量/kg36000

圖3 垂向載荷-時間歷程曲線

圖4 縱向載荷-時間歷程曲線

圖5 橫向載荷-時間歷程曲線

2.2 空氣彈簧有限元仿真

2.2.1 有限元模型建立

本文采用Mooney-Rivlin超彈性本構模型模擬該型空氣彈簧系統(tǒng)膠囊橡膠材料的超彈屬性[5]。其本構模型如下:

(1)

式中:

U— 應變能密度;

C10— Rivlin系數(shù),正定常數(shù);

C01— Rivlin系數(shù),正定常數(shù);

橡膠超彈性材料參數(shù)是根據(jù)橡膠硬度實驗確定的,用XY-1橡膠硬度計測量所得。膠囊橡膠的硬度值為60HS。錐形應急簧所用橡膠的硬度值為55HS。不同橡膠所對應的材料參數(shù)如表2所示。

表2 不同橡膠的材料本構模型及參數(shù)

為提高有限元仿真的效率,縮短計算時間,在不影響計算精度的前提下,建模過程中對非關鍵部位進行了適當簡化。由于空氣彈簧是對稱結構,其承受的載荷也具有對稱性,為減少運算量,只取一半對其進行建模分析[6],如圖6所示。

2.2.2 空氣彈簧有限元計算

空氣彈簧載荷工況的設置參考EN 13597—2003《鐵路應用 橡膠懸掛元件 空氣懸掛彈簧橡膠模板》、TB/T 2841—2010《鐵道車輛空氣彈簧》等軌道交通行業(yè)標準中關于空氣彈簧性能試驗的相關方法。選取額定載荷AW2工況下的垂向載荷110 kN對空氣彈簧進行加載,此數(shù)值與空氣彈簧在動力學模型中所承受的垂向載荷一致[7]。

圖6 空氣彈簧有限元模型

空氣彈簧膠囊的應力分析結果如圖7所示。由圖7可知,膠囊下部內圓弧處應力較為集中,最大應力值為7.474 MPa;應力最小的單元節(jié)點位于膠囊上邊緣,最小應力值為8.283×10-4MPa。橡膠材料的疲勞極限一般為0.8 MPa,所以膠囊下部內圓弧處產生應力疲勞損傷的幾率較大。

空氣彈簧錐形應急簧的應力分析結果如圖8所示。由圖8可知,由3層天然橡膠(NR)組成的錐形應急簧橡膠部分應力較為集中,最大應力點位于最內層橡膠的外側下邊沿處,最大應力值為4.645 MPa;應力最小的單元節(jié)點位于最內層橡膠的內側偏上部位,最小應力值為7.105×10-2MPa。因為橡膠材料的疲勞極限一般為0.8 MPa,所以錐形應急簧最內層橡膠的外側下邊沿處產生應力疲勞損傷的幾率較大。

圖7 空氣彈簧膠囊應力分布圖

圖8 應急簧應力分布圖

2.3 空氣彈簧虛擬疲勞仿真及評價方法驗證

以Palmgren-Miner線性疲勞累積損傷法則為基本原理,將多體動力學仿真得到的施加在空氣彈簧上的疲勞載荷譜、有限元分析得到的空氣彈簧應力應變結果,以及組成空氣彈簧各零部件所對應的材料屬性(如楊氏模量、拉伸強度、S-N(應力-壽命)曲線)等數(shù)據(jù)輸入Fe-safe疲勞分析軟件中,建立空氣彈簧的結構疲勞壽命分析模型。在Fe-safe疲勞算法中選擇采用主應變法(Principal Strain)的Morrow平均應力修正法進行虛擬疲勞仿真,從而對運用狀態(tài)下的空氣彈簧可靠性進行評價[8-10]。

為有效驗證空氣彈簧可靠性評估方法的科學性,進行了如下比對分析:

(1) 運用10年后膠囊實際裂紋與仿真結果比對。對某城市已使用10年的該型軌道交通車輛空氣彈簧進行抽樣調研,抽樣比例為70%,結果表明，膠囊是空氣彈簧最容易產生裂紋的部件,且90%以上的裂紋分布在膠囊與扣板連接區(qū)域,以及膠囊內弧區(qū)域。將運用了10年的空氣彈簧膠囊裂紋照片與空氣彈簧膠囊失效的仿真結果進行比對,如圖9所示?？梢钥闯?空氣彈簧膠囊單元失效的仿真計算結果與實際損傷狀況基本吻合。

圖9 膠囊典型外部損傷示意圖

(2) 運用10年后錐形應急簧實際裂紋與仿真結果比對。通過檢修現(xiàn)場調研得知,錐形應急簧外表面發(fā)生損傷的情況很少。調研中只發(fā)現(xiàn)了少量的錐形應急簧有橡膠與鋼板粘結處外邊緣發(fā)生剝離的現(xiàn)象，此外還有極少數(shù)的錐形應急簧橡膠表面有被銳器刺(碰)傷的痕跡。本文選取1張典型的錐形應急簧外部損傷圖片,將其與錐形應急簧單元失效情況仿真計算結果進行對比,如圖10所示。由對比結果知,仿真計算所得錐形應急簧單元失效集中區(qū)域位置與實際損傷位置稍有偏差,但整體趨勢比較正確。

圖10 應急簧典型外部損傷示意圖

比對分析結果證明，基于多體動力學、非線性有限元分析和虛擬疲勞壽命聯(lián)合仿真的空氣彈簧可靠性評價方法具有較好的科學性。

3 可靠性評價方法的應用

3.1 空氣彈簧檢修現(xiàn)場典型問題描述

廠家建議的軌道車輛空氣彈簧使用壽命為8年左右,但目前城市軌道交通運維企業(yè)一般以5年為一個節(jié)點進行拆車檢修。即從空氣彈簧投入使用直至第5年架修時才對空氣彈簧進行第一次拆車檢修,如未發(fā)現(xiàn)異常則將其裝車繼續(xù)使用,直到第10年車輛大修時再次對空氣彈簧進行拆卸檢查。

由于第8年以后空氣彈簧廠家不提供保修和使用安全保障,此時車輛運用企業(yè)就會面臨兩個矛盾點:

(1) 如果為了保證絕對安全而在第5年架修時將這種型號的空氣彈簧進行報廢,則需要損失3年的使用壽命,浪費巨大;

(2) 如果第5年后繼續(xù)使用至第10年大修,則面臨空氣彈簧在第8年到第10年之間的2年運行安全性無法得到保證。

針對上述問題,采用本文提出的基于運用狀態(tài)下的可靠性評價方法,選取空氣彈簧使用第5年(架修時間點)、第8年(理論使用壽命)和第10年(大修時間點)3個特殊時間點,對空氣彈簧上兩個最關鍵、也是壽命最薄弱的橡膠零部件—膠囊和錐形應急簧的失效率進行分析,并根據(jù)失效率對空氣彈簧整體的使用可靠性進行研究。

3.2 空氣彈簧使用可靠性分析

圖11所示為空氣彈簧使用10年后各零部件整體的單元失效率分布云圖。由圖11可知,使用10年后單元失效率較高區(qū)域集中出現(xiàn)在膠囊內弧和錐形應急簧內層橡膠外邊緣等區(qū)域(箭頭所示1區(qū)),最高值為95.91%。主要原因是膠囊和錐形應急簧在上述區(qū)域應力分布較為集中,如圖12所示。因此,在長時間承受交變、循環(huán)載荷時,膠囊內弧和錐形應急簧內層橡膠外邊緣等區(qū)域的橡膠發(fā)生失效的概率較大。

圖11 使用10年后空氣彈簧各單元失效情況

注:圓圈區(qū)域為應力最大值

(1) 膠囊在使用第1年至第10年期間單元失效整體情況分析。分析圖12可知,膠囊單元失效率在50%到100%之間的單元數(shù)量較多。因此,本文重點分析第5年、第8年和第10年膠囊中失效率高于50%、65%、80%和90%的單元分布情況。其中,失效率高于50%的單元指失效率在50%至100%之間的單元,以此類推。表3所示為空氣彈簧膠囊在使用第1年至第10年期間全部單元失效情況的計算統(tǒng)計數(shù)據(jù)。通過此數(shù)據(jù)可以更加全面地了解膠囊在10年的使用期內由于應力疲勞損傷(機械損傷)所導致的單元失效情況及變化趨勢。

(2) 錐形應急簧在使用第1年至第10年期間單元失效整體情況分析。分析圖12可知,錐形應急簧單元失效率在5%到20%之間的單元數(shù)量較多。因此,本文重點分析第5年、第8年和第10年錐形應急簧中失效率高于5%、10%、15%和20%的單元分布情況。其中,失效率高于5%的單元指失效率在5%至100%之間的單元,以此類推。表4所示為空氣彈簧錐形應急簧在使用第1年至第10年期間全部單元失效情況的計算統(tǒng)計數(shù)據(jù)。通過此數(shù)據(jù)可以更加全面地了解錐形應急簧在10年的使用期內由于應力疲勞損傷(機械損傷)所導致的單元失效情況及變化趨勢。

分析表3、表4數(shù)據(jù)可知,空氣彈簧膠囊失效率在50%至100%之間的單元數(shù)量由第8年的895個增加至第10年的939個,共增加46個,增加數(shù)量占膠囊單元總量的0.73%;錐形應急簧失效率在50%至100%之間的單元數(shù)量由第8年的2 077個增加至第10年的2 320個,共增加243個,增加數(shù)量占膠囊單元總量的1.28%。從上述數(shù)據(jù)可以看出,空氣彈簧橡膠薄弱部位失效單元的數(shù)量及比例僅發(fā)生很小幅度的增長,所以可推斷此型號空氣彈簧在第8年到第10年之間的使用可靠性和安全性是可以滿足要求的。

3.3 對空氣彈簧設計的建議

由本文分析知,空氣彈簧膠囊裂紋主要集中在膠囊與扣板連接區(qū)域,以及膠囊內弧區(qū)域。發(fā)生這一現(xiàn)象的主要原因是膠囊上述兩個區(qū)域(部位)的結構應力較為集中,導致橡膠發(fā)生應力疲勞損傷的幾率大大增加。建議空氣彈簧設計企業(yè)對膠囊整體結構進行進一步優(yōu)化設計,從而有效減小膠囊與扣板連接區(qū)域以及膠囊內弧區(qū)域的結構應力,降低這兩個區(qū)域發(fā)生應力疲勞損傷(機械損傷)的概率?；蛘?在空氣彈簧生產過程中對膠囊與扣板連接區(qū)域,以及膠囊內弧區(qū)域進行材料加強,以增加其抵抗應力疲勞損傷(機械損傷)的能力。

表3 不同失效率時膠囊單元失效情況計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表4 不同失效率時錐形應急簧單元失效情況計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4 結論

(1) 運用本文提出的可靠性評價方法計算得到的空氣彈簧失效結果與現(xiàn)場實測的情況吻合,空氣彈簧使用第8年到第10年期間膠囊的失效率增加0.73%,錐形應急簧的失效率增加1.28%;

(2) 空氣彈簧中膠囊是壽命最薄弱部分,而結構應力疲勞是造成其損傷的主要原因。因此,建議空氣彈簧生產企業(yè)通過結構優(yōu)化、危險部位補強等方法對現(xiàn)有產品進行性能提升;

(3) 本文提出的方法有助于對空氣彈簧使用壽命的估算,從而可更好地利用其剩余價值,減少經濟損失。

[1] OMAN S,FAJDIGA M.Estimation of Air-spring life based on accelerated experiments[J].Journal of Materials and Design,2010(31):3859.

[2] 金國龍,謝雄耀,王如路.上海地鐵1號線車輛轉向架壽命預測數(shù)值分析[J].地下空間與工程學報,2009,5(5):860.

[3] 繆炳榮.基于多體動力學和有限元法的機車車體結構疲勞仿真研究[D].成都:西南交通大學,2007.

[4] 李芾,付茂海,黃運華.空氣彈簧動力學特性參數(shù)分析[J].西南交通大學學報,2003,38(3):276.

[5] 殷聞,靳曉雄,仝光.兩種常用橡膠本構模型的有限元分析及其仿真[J].上海電機學院學報,2010,13(4):215.

[6] 卜繼玲,王永冠,宋傳江.鐵道車輛橡膠彈性元件設計仿真與校驗[J].鐵道機車車輛,2011,31(1):98.

[7] 中華人民共和國鐵道部.鐵道車輛空氣彈簧：TB/T 2841-2010[S].北京:中國鐵道出版社,2010:40.

[8] 卜繼玲,黃友劍.軌道車輛橡膠彈性元件設計計算方法[M].北京:中國鐵道出版社,2010:50.

[9] 劉健勛,黃友建,劉柏兵.一種橡膠元件疲勞壽命預測方法的研究[J].電力機車與城軌車輛,2011,34(3):12.

[10] 丁智平,陳吉平,宋傳江.橡膠彈性減振元件疲勞裂紋擴展壽命分析[J].機械工程學報,2010,46(22):58.

Reliability Evaluation of Urban Rail Vehicle Air Spring in Using State

FANG Yu, ZHANG Guofu, PAN Zhen, WANG Xin

Since differences exist between the actual repair period and the theory lifetime of rail vehicle air spring in using state,an evaluation method of air spring reliability is proposed, which is based on the background of vehicle actual operation, the multi-body dynamics,the nonlinear finite element analysis and the virtual fatigue life joint simulation. Taking a type of practical application of urban rail vehicle as an example,the calculated failure result of air spring is in agreement with the real damage condition measured at the scene. Then, this method is used to simulate the reliability of a certain air spring during the theoretical lifetime from 8 years to 10 years overhaul,the results show that the failure rate of air spring capsule has increased by 0.73% and the failure rate of cone-shape emergency spring has increased by 1.28%.So it is clear that the air spring is reliable during the theoretical lifetime and could meet the operating requirements.

urban rail vehicle; air spring; fatigue life; reliability evaluation

*上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目(12YZ150)

U 260.331+4

10.16037/j.1007-869x.2016.07.005

2014-09-02)