彈性旁承體金屬骨架的疲勞壽命分析

王艷霞， 郭 娜， 呂 華， 萬 濤， 張寶山

(中車石家莊車輛有限公司 技術(shù)中心， 石家莊 050043)

彈性旁承體是由彈性旁承體金屬骨架和橡膠組成，壽命期為6年。在鐵路貨車檢修過程中，大量彈性旁承體由于橡膠開裂或老化而被替換，但是彈性旁承體金屬骨架卻基本沒有損壞。大部分被替換的彈性旁承體以危險(xiǎn)品廢品低價(jià)銷售，收購商通過高溫焚燒方式獲取其金屬骨架，銷售廢鋼來獲得利潤。高溫焚燒(800 ℃左右)去除廢橡膠時(shí)導(dǎo)致金屬骨架發(fā)生相變，一旦再流入鐵路貨車橡膠件市場將直接埋下安全隱患。同時(shí)焚燒過程中將產(chǎn)生二氧化碳以及大量的有害氣體，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此校核彈性旁承體金屬骨架的疲勞強(qiáng)度以確定其是否具有回收的價(jià)值，提高其循環(huán)使用的可靠性是非常有必要的。

1 彈性旁承體金屬骨架疲勞載荷與評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

彈性旁承體金屬骨架由4部分組成：頂板組成、側(cè)板、底板組成、彈簧。彈簧不具有循環(huán)使用的價(jià)值，因此只需計(jì)算頂板組成、側(cè)板、底板組成3部分的疲勞壽命。

根據(jù)運(yùn)裝貨車[2006]190號(hào)文“關(guān)于印發(fā)《鐵路貨車用JC型雙作用彈性旁承技術(shù)條件及檢驗(yàn)方法》和審查意見的通知”[7]的規(guī)定，疲勞試驗(yàn)載荷與考核標(biāo)準(zhǔn)如表1所示,由于試驗(yàn)時(shí)縱向載荷是加載到兩個(gè)旁承體上，因此計(jì)算時(shí)縱向載荷為規(guī)定的一半也就是11 kN，加載方式見圖1、圖2。

表1 疲勞計(jì)算實(shí)際加載載荷

2 有限元模型

對(duì)彈性旁承體金屬骨架各組成部分的完整結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模分析，采用實(shí)體單元對(duì)各部件進(jìn)行離散，如圖3所示，有限元模型統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)列于表2。

1-夾板；2-模擬旁承座；3-試樣；4-緊固螺栓；5-底板。圖1 縱向載荷施加方式

1-模擬旁承座；2-試樣。圖2 垂向載荷施加方式

表2 有限元模型統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

3 應(yīng)力分析

彈性旁承體金屬骨架各部件在表2所列疲勞試驗(yàn)載荷工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖4～圖9。

圖3 彈性旁承體側(cè)板、底板、頂板結(jié)構(gòu)離散網(wǎng)格模型

側(cè)板只承受縱向載荷，大小為±11 kN，如圖4所示就是側(cè)板在縱向載荷作用下應(yīng)力分布圖，最大應(yīng)力為6.61 MPa。

底板組成只承受垂向載荷，如圖5所示就是底板組成在垂向載荷±6.6 kN作用下應(yīng)力分布圖，最大應(yīng)力為2 MPa；如圖6所示就是底板組成在強(qiáng)化垂向載荷±11 kN作用下應(yīng)力分布圖，最大應(yīng)力為3.4 MPa。

頂板組成承受垂向載荷和縱向載荷，如圖7所示就是頂板組成在±6.6 kN垂向載荷作用下應(yīng)力分布圖，最大應(yīng)力為2.7 MPa；如圖8所示就是頂板組成在±11 kN 強(qiáng)化垂向載荷作用下應(yīng)力分布圖，最大應(yīng)力為4.5 MPa；如圖9所示就是頂板組成在±11 kN縱向載荷作用下應(yīng)力分布圖，最大應(yīng)力為30.1 MPa。

圖4 側(cè)板的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖5 底板在垂直載荷下的應(yīng)力幅

圖6 底板在強(qiáng)化垂直載荷下的應(yīng)力幅

圖7 頂板在垂直載荷下的應(yīng)力幅

圖8 頂板在強(qiáng)化垂直載荷下的應(yīng)力幅

經(jīng)過應(yīng)力分析，頂板組成、側(cè)板、底板組成最大應(yīng)力分別為30.1 MPa、6.6 MPa、4 MPa，頂板、側(cè)板、底板的材料分別為20號(hào)鋼、Q235B和Q235A，通過表3查得Q235A的第一工況許用載荷是161 MPa，頂板組成、側(cè)板、底板組成的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q235A的第一工況許用載荷，而20號(hào)鋼和Q235B的力學(xué)性能要好于Q235A，因此頂板組成、側(cè)板、底板組成在疲勞試驗(yàn)載荷工況下的最大應(yīng)力均小于對(duì)應(yīng)工況的材料許用應(yīng)力。

圖9 頂板在縱向載荷下的應(yīng)力幅

材料及其牌號(hào)車體及轉(zhuǎn)向架零件(輪對(duì)除外)第1工況第2工況制動(dòng)零件普通碳素鋼Q235-A(σs=235 MPa)161212 136

4 彈性旁承體金屬骨架的疲勞壽命分析

彈性旁承體金屬骨架的疲勞壽命可以用兩種方法進(jìn)行分析，一是計(jì)算大應(yīng)力點(diǎn)疲勞損傷，如果其累計(jì)疲勞損傷小于1，則認(rèn)為其可以使用所計(jì)算的次數(shù)；二是最大應(yīng)力乘以安全系數(shù)小于所要求次數(shù)的疲勞極限也可以認(rèn)為它可以使用所要求的次數(shù)。

(1)疲勞損傷

依據(jù)“BS EN 1993-1-9:2005歐洲設(shè)計(jì)規(guī)范3: 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范”，采用疲勞應(yīng)力范圍方法進(jìn)行該旁承體疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)與壽命預(yù)測。該規(guī)范在大量疲勞試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)2×106等幅疲勞強(qiáng)度Δσc試驗(yàn)結(jié)果將各種典型焊接接頭劃分為14個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，并按等級(jí)設(shè)定了疲勞設(shè)計(jì)曲線、應(yīng)力范圍的區(qū)間。

圖10 基準(zhǔn)S-N曲線(EN 1993-1-9：2005)

極限ΔσL及等幅疲勞極限ΔσD，此處的應(yīng)力范圍為不含應(yīng)力集中成分的名義應(yīng)力值，其應(yīng)力范圍-疲勞壽命曲線(S-N曲線)如圖10所示。圖中不同的S-N曲線對(duì)應(yīng)于不同的焊接接頭和焊接細(xì)節(jié)。

應(yīng)力范圍—壽命曲線(Δσ-N曲線)定義如下：(式中m為材料常數(shù))

其中m = 3，當(dāng)N<5×106時(shí)

(1)

其中m=5，當(dāng)5×106≤N≤108時(shí)

(2)

(3)

一個(gè)循環(huán)造成的損傷：D=1/N

(4)

式中N為對(duì)應(yīng)于當(dāng)前載荷水平S的疲勞壽命。

等幅載荷下，n個(gè)循環(huán)造成的損傷：

D=n/N

(5)

通過計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

運(yùn)裝貨車[2006]190號(hào)文規(guī)定的縱向載荷﹑垂直載荷和強(qiáng)化垂直載荷等疲勞載荷下,試驗(yàn)次數(shù)為1 000萬次，所造成的疲勞累積損傷小于1，因此根據(jù)運(yùn)裝貨車[2006]190號(hào)文的試驗(yàn)載荷要求，彈性旁承體金屬骨架可以循環(huán)使用1 000萬次。

表4 1 000萬次循環(huán)下大應(yīng)力點(diǎn)疲勞損傷計(jì)算結(jié)果 MPa

(2)疲勞極限

疲勞斷裂應(yīng)力判斷依據(jù)為：

對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)下σ≥σ-1；非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)下σ≥σr(r為應(yīng)力比)。

頂板組成、側(cè)板、底板組成最大應(yīng)力分別為30.1 MPa、6.6 MPa、4 MPa，因?yàn)?0號(hào)鋼Q235B和Q235A的彈性模量泊松比差相不多，并且前兩種材料的性能都好于Q235A，所以安全系數(shù)都可由表4金屬零件許用應(yīng)力表中Q235A的材料得出235/161=1.46,最大應(yīng)力乘以安全系數(shù)就為σ。

從表5中可以看出頂板組成、側(cè)板、底板組成的σ都小于其所對(duì)應(yīng)的疲勞極限σ-1，因此在運(yùn)裝貨車[2006]190號(hào)文規(guī)定的縱向載荷﹑垂直載荷和強(qiáng)化垂直載荷等疲勞載荷下,彈性旁承體金屬骨架可以循環(huán)使用1 000萬次。

根據(jù)運(yùn)裝貨車[2006]190號(hào)文的試驗(yàn)載荷要求，彈性旁承體金屬骨架可以循環(huán)使用1 000萬次(相當(dāng)于3個(gè)彈性旁承體壽命期)，考慮到一定的安全裕量，以及實(shí)際運(yùn)行工況的復(fù)雜性等條件，建議彈性旁承體金屬骨架可以連續(xù)使用兩個(gè)彈性旁承體壽命期。為檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，委托中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，將使用一個(gè)壽命期后的JC型彈性旁承體，通過“無損剝離”技術(shù)剝離出的頂板、底板、側(cè)板，重新硫化制備成彈性旁承體，對(duì)其進(jìn)行組裝疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：

彈性旁承常溫垂向剛度、縱向剛度、常規(guī)垂直疲勞、縱向疲勞、強(qiáng)化疲勞試驗(yàn)滿足運(yùn)裝貨車〔2006〕190號(hào)中的技術(shù)要求。

疲勞試驗(yàn)后，彈性旁承的金屬骨架未見異常。

表5 彈性旁承體金屬骨架應(yīng)力值σ與疲勞極限σ-1對(duì)比 MPa

5 結(jié)束語

通過彈性旁承體金屬骨架的疲勞壽命分析，我們認(rèn)為彈性旁承體的金屬骨架(除彈簧外)至少可以再循環(huán)使用一個(gè)彈性旁承體壽命期，因此彈性旁承體金屬骨架具有回收價(jià)值，可以再循環(huán)使用彈性旁承體一個(gè)壽命期。在這基礎(chǔ)上，中車石家莊車輛有限公司成立了“鐵路貨車金屬橡膠復(fù)合件環(huán)保再利用項(xiàng)目”，2012年5月，該項(xiàng)目通過相關(guān)部門技術(shù)審查，與會(huì)專家討論通過了中車石家莊車輛有限公司提出的《鐵路貨車金屬橡膠復(fù)合件鋼件檢修技術(shù)條件》。2014年該項(xiàng)目獲得中國鐵道學(xué)會(huì)鐵道科技二等獎(jiǎng)。中車石家莊車輛有限公司在此項(xiàng)目基礎(chǔ)上成立了河北中車環(huán)?？萍加邢挢?zé)任公司，該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，為節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境做出了一定貢獻(xiàn)。2012年再利用彈性旁承體開始裝車使用，彈性旁承體一個(gè)壽命期為6年，目前已有部分再利用彈性旁承體即將達(dá)到一個(gè)壽命期，使用效果良好。