轉(zhuǎn)向架鋼彈簧表面磨痕深度對(duì)其壽命的影響研究

鄧學(xué)暉，王 靖

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062)

0 引言

轉(zhuǎn)向架鋼彈簧是動(dòng)車組的關(guān)鍵部件，在保證列車的安全運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。在使用過(guò)程中，由于彈簧異常磨損和磕碰，會(huì)引起接觸線磨損、表面磨損、表面磕碰等表面缺陷。由于彈簧一直處于高強(qiáng)度的交變載荷的作用，隨著動(dòng)車組列車運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加，磨痕深度會(huì)隨之增加，因此校核轉(zhuǎn)向架鋼彈簧在不同深度磨痕下的疲勞壽命十分有必要。本文針對(duì)2種典型的磨痕形式，選取了不同磨痕深度的轉(zhuǎn)向架鋼彈簧，通過(guò)有限元仿真的方法對(duì)其進(jìn)行疲勞分析，評(píng)估其理論工作壽命；并加工同等磨痕深度的轉(zhuǎn)向架鋼彈簧進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)其實(shí)際工作壽命進(jìn)行驗(yàn)證。

1 有限元理論計(jì)算基礎(chǔ)

轉(zhuǎn)向架鋼彈簧在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中受交變載荷作用，為方便分析，本文采用工程中廣泛應(yīng)用的Miner理論[1]，對(duì)鋼彈簧的疲勞壽命進(jìn)行估算。Miner理論是線性疲勞累積損傷理論，該理論認(rèn)為，循環(huán)載荷可對(duì)材料產(chǎn)生損傷，且每次循環(huán)載荷對(duì)材料產(chǎn)生的損傷相互獨(dú)立，且這種損傷可不斷累加使材料發(fā)生疲勞破壞。材料的損傷程度與循環(huán)應(yīng)力作用次數(shù)成正相關(guān)。載荷可分為i級(jí)循環(huán)應(yīng)力，則不同級(jí)別的應(yīng)力損傷相互獨(dú)立，將各級(jí)應(yīng)力損傷進(jìn)行疊加可得材料總損傷，若損傷超過(guò)額定限度則材料開始發(fā)生破壞。

在Miner理論的基礎(chǔ)上，采用名義應(yīng)力法[2-3]的疲勞分析方法，對(duì)鋼彈簧進(jìn)行分析。名義應(yīng)力法是在材料或者零部件名義應(yīng)力和集中系數(shù)的基礎(chǔ)上，利用零部件S-N曲線和疲勞累積損傷理論進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算的方法。名義應(yīng)力法適用于高周疲勞，且零部件的變形處在彈性范圍內(nèi)的疲勞分析。

本文采用常見的估算材料疲勞極限的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，即Goodman直線模型：

(1)

σa為材料所受循環(huán)載荷的應(yīng)力幅值；σm為循環(huán)載荷的平均應(yīng)力值；σ-1為在應(yīng)力比為-1循環(huán)載荷時(shí)材料的疲勞極限；σb為材料的強(qiáng)度極限。

對(duì)于本文的彈簧模型，整體承受單向的垂向變化載荷，而彈簧截面為螺旋線上升，故實(shí)際截面上為剪切受力為主，因此在疲勞分析中σ取剪切應(yīng)力shear stress。

2 有限元模型及仿真分析

2.1 模型結(jié)構(gòu)說(shuō)明

據(jù)實(shí)際需求，研究對(duì)象確定為CRH380BL高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架鋼彈簧。鋼彈簧材料為51CrV4，鋼彈簧主要結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 螺旋彈簧基本參數(shù)

對(duì)于轉(zhuǎn)向架鋼彈簧的表面磨痕，內(nèi)簧磨痕主要為外側(cè)斜切式磨痕，屬于表面磨損，主要是由于彈簧在使用過(guò)程中存在振動(dòng)、橫向作用力等因素使其與周圍金屬發(fā)生接觸而導(dǎo)致的，一般出現(xiàn)在內(nèi)簧的第2圈外側(cè)上。外簧磨痕主要為接觸線磨痕，主要出現(xiàn)在支撐圈與工作圈之間，由于支撐圈與工作圈的間距要小于工作圈間距，使其在沖擊力情況下出現(xiàn)異常磨損。2種磨痕位置及尺寸如圖1所示。

圖1 內(nèi)/外簧磨痕位置及尺寸說(shuō)明

實(shí)際檢修中發(fā)現(xiàn)，彈簧磨痕深度一般在0.2～0.5 mm之間。為進(jìn)一步研究鋼彈簧可接受的磨痕深度，本文擬分析更大磨損深度的鋼彈簧。綜上，選取如表2所示的不同磨痕深度的彈簧模型進(jìn)行有限元分析，建立磨損彈簧有限元模型，添加材料特性參數(shù)及彈簧載荷邊界條件，計(jì)算彈簧的疲勞壽命[4]。

表2 磨損鋼彈簧模型 mm

2.2 有限元模型

本文分析的彈簧有限元模型分為原始模型和磨損彈簧模型。原始模型由外簧、內(nèi)簧、頂部加載圓盤組成，采用四面體單元?jiǎng)澐?，彈簧單元平均尺寸?.0 mm，頂部加載圓盤單元尺寸由3.0 mm過(guò)渡到15.0 mm。磨損彈簧模型在原始模型基礎(chǔ)上，在磨痕位置做了網(wǎng)格加密處理，磨痕處網(wǎng)格平均尺寸為1.5 mm。有限元模型如圖2和圖3所示。

圖2 原始彈簧模型

圖3 磨痕處網(wǎng)格加密

2.3 彈簧材料特性

彈簧材料特性如表3所示。

表3 彈簧的材料特性

2.4 彈簧載荷邊界說(shuō)明

根據(jù)試驗(yàn)狀態(tài)，對(duì)彈簧模型采用垂向加載，約束彈簧底端，頂端加載對(duì)應(yīng)載荷。載荷大小根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取值[3]，對(duì)于垂向靜載荷Fj，外簧取47 133 N，內(nèi)簧取27 668 N，合力74 801 N；k為動(dòng)載系數(shù)，擬取為0.3；加載頻率根據(jù)情況取1 Hz。載荷加載示意如圖4所示。

圖4 載荷加載示意

2.5 仿真結(jié)果

建立磨損彈簧的有限元模型并進(jìn)行靜力和疲勞計(jì)算，得到如圖5～圖10所示的仿真結(jié)果。

觀察圖5剪切應(yīng)力曲線，可以看到當(dāng)磨痕深度較小時(shí)，內(nèi)簧受到的剪切應(yīng)力與無(wú)磨損狀態(tài)差別不大。磨痕深度小于等于4.0 mm時(shí)(篇幅限制，只給出4.0 mm應(yīng)力云圖)，剪切應(yīng)力與疲勞均無(wú)明顯變化；磨痕深度大于4.0 mm時(shí)，剪切應(yīng)力明顯增大，且最大應(yīng)力位置由第2圈內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移到磨痕處對(duì)應(yīng)的內(nèi)側(cè)。此時(shí)最小疲勞壽命位置也由第2圈內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移到磨痕面附近。壽命位置轉(zhuǎn)移之后，隨著磨痕深度的增加，疲勞壽命大大減小。

觀察圖8剪切應(yīng)力曲線，可以看到外簧磨痕深度較小時(shí)，外簧剪切應(yīng)力與無(wú)磨損狀態(tài)差別不大。磨痕深度大于1.2 mm時(shí)，最小疲勞壽命位置會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移后彈簧疲勞壽命隨著磨痕深度的增加明顯減小；外簧磨痕深度大于3.0 mm時(shí)，受到的剪切應(yīng)力明顯增加，最大應(yīng)力位置轉(zhuǎn)移至磨損面附近。

圖5 內(nèi)簧仿真結(jié)果

圖6 內(nèi)簧磨損深度4.0 mm時(shí)最大應(yīng)力點(diǎn)

圖7 內(nèi)簧磨損深度4.0 mm時(shí)壽命位置

圖8 外簧仿真結(jié)果

圖9 外簧磨損深度3.0 mm時(shí)最大應(yīng)力點(diǎn)

圖10 外簧磨損深度4.0 mm時(shí)最大應(yīng)力點(diǎn)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了判斷表面磨痕深度對(duì)鋼彈簧剩余壽命的影響，本文以文獻(xiàn)[5]為依據(jù)，對(duì)不同深度磨痕的鋼彈簧進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得到不同深度磨痕的鋼彈簧的剩余可工作次數(shù)。試驗(yàn)中每隔20萬(wàn)次利用磁粉檢測(cè)彈簧是否出現(xiàn)裂紋及斷裂，如出現(xiàn)則判定鋼彈簧失效，該組試驗(yàn)終止，如工作至合格標(biāo)準(zhǔn)次數(shù)仍未失效，則停止試驗(yàn)，認(rèn)定該情況下鋼彈簧仍滿足合格標(biāo)準(zhǔn)[6]；本文中，在三級(jí)修彈簧(運(yùn)營(yíng)120萬(wàn)km)和四級(jí)修彈簧(運(yùn)營(yíng)240萬(wàn)km)的基礎(chǔ)上，人為加工磨損深度，并施加文獻(xiàn)[5]所述的載荷來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為西南交通大學(xué)大型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞試驗(yàn)臺(tái)，該系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)和通用測(cè)試系統(tǒng)組成。主要參數(shù)如表4所示。

表4 疲勞試驗(yàn)臺(tái)部分作動(dòng)器主要技術(shù)指標(biāo)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

分析試驗(yàn)結(jié)果，得到如表5所示數(shù)據(jù)。

表5 彈簧實(shí)際剩余工作次數(shù)

對(duì)比彈簧實(shí)際剩余工作次數(shù)和仿真結(jié)果，剩余工作次數(shù)與磨痕深度的數(shù)據(jù)基本與仿真結(jié)果一致。

觀察內(nèi)簧(圖11)斷裂處和外簧(圖12)斷裂處發(fā)現(xiàn)，內(nèi)簧裂紋是從磨痕最深處側(cè)開始的，然后再逐步向鋼彈簧線徑內(nèi)側(cè)撕裂，最后斷裂；外簧接觸線斷裂裂紋是從磨痕最深處側(cè)開始的，然后再逐步向鋼彈簧線徑另一側(cè)撕裂，最后斷裂。斷裂主要分為2個(gè)區(qū)域，分別為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，即彈簧斷裂模式屬于疲勞斷裂，斷裂起源為彈簧受損處最深處表面，與仿真結(jié)果吻合。

圖11 內(nèi)簧斷裂彈簧斷口分析

圖12 外簧斷裂彈簧斷口分析

4 結(jié)束語(yǔ)

本文中，仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，分析磨痕深度對(duì)鋼彈簧壽命的影響，主要規(guī)律如下：

a.當(dāng)磨損深度在0.2～0.5 mm之間時(shí)，對(duì)鋼彈簧薄弱節(jié)點(diǎn)平均應(yīng)力和應(yīng)力幅影響不大，因此單次載荷加載的疲勞損傷基本不變，使得內(nèi)簧和外黃疲勞壽命基本不變。

b.對(duì)于內(nèi)簧，磨損深度大于4.0 mm時(shí)，最大應(yīng)力點(diǎn)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，由第2圈外側(cè)轉(zhuǎn)移到磨痕位置附近；最小疲勞壽命位置也轉(zhuǎn)移到磨痕附近。對(duì)于外簧，磨損深度大于1.2 mm時(shí)，最小疲勞壽命位置會(huì)轉(zhuǎn)移到磨痕位置附近；磨損深度大于3.0 mm時(shí)，最大應(yīng)力點(diǎn)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移后彈簧的疲勞壽命隨著磨損深度的增加而顯著減少。究其原因，大的磨損深度下，單次載荷循環(huán)下的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅增大明顯，導(dǎo)致單次載荷加載的疲勞損傷越來(lái)越大，使得疲勞壽命越來(lái)越短。