FKM標(biāo)準(zhǔn)在制動(dòng)夾鉗單元疲勞強(qiáng)度評(píng)估中的應(yīng)用

孟永帥 曾梁彬 王起梁 趙金良 劉 超

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

0 引言

制動(dòng)夾鉗單元作為列車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的可靠性直接影響到列車運(yùn)行的安全性[1]，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)其疲勞性能進(jìn)行評(píng)估。目前鐵路技術(shù)發(fā)達(dá)國家均制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范疲勞強(qiáng)度的評(píng)估方法，如我國的《鐵道機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》、歐洲的《鐵路應(yīng)用—鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求》、日本的《車輛用轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計(jì)通過規(guī)則》以及國際鐵路聯(lián)盟試驗(yàn)研究中心的研究報(bào)告ORE B12/RP17等[2]。

目前在進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估時(shí)采用較多的是國際鐵路聯(lián)盟試驗(yàn)研究中心研究報(bào)告ORE B12/RP17中的方法，該方法通過應(yīng)力投影將多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力，再根據(jù)構(gòu)件的修正Goodman曲線進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估[2]，由于該方法計(jì)算過程相對(duì)簡單，因此在鐵路行業(yè)使用范圍較廣，但該方法在評(píng)估中未考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、載荷等因素的影響。

下文采用德國機(jī)械工程研究委員會(huì)編制的FKM標(biāo)準(zhǔn)中的評(píng)估方法對(duì)制動(dòng)夾鉗單元的進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估，并和傳統(tǒng)的修正Goodman疲勞曲線強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果對(duì)比分析，探索新的疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法在軌道交通結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核中的應(yīng)用。

1 制動(dòng)夾鉗單元結(jié)構(gòu)

某制動(dòng)夾鉗單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由制動(dòng)缸、球關(guān)節(jié)、吊架、杠桿、銷軸、閘片托以及閘片拖吊等零部件組成，制動(dòng)夾鉗單元通過閘片拖吊螺栓和吊架橡膠球關(guān)節(jié)安裝在轉(zhuǎn)向架上。

制動(dòng)時(shí)，通過向制動(dòng)缸內(nèi)充氣使制動(dòng)缸推動(dòng)杠桿向外運(yùn)動(dòng)，杠桿繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)閘片托向內(nèi)運(yùn)動(dòng)夾緊制動(dòng)盤，閘片摩擦塊和制動(dòng)盤間發(fā)生摩擦耗能，從而實(shí)現(xiàn)列車的制動(dòng)。

2 FKM標(biāo)準(zhǔn)簡介

FKM標(biāo)準(zhǔn)是德國機(jī)械工程研究委員會(huì)基于TGL標(biāo)準(zhǔn)、DIN18800、VDI2226、DIN4113-2、DIN 743、DIN EN 1999等標(biāo)準(zhǔn)以及FKM研究報(bào)告編制而成，主要用于評(píng)估鋼、鑄鐵和鋁材料結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。在評(píng)估過程中考慮了大多數(shù)對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度(靜態(tài)和動(dòng)態(tài))產(chǎn)生影響的因素，如表面粗糙度、工作溫度、殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、載荷情況等[3-4]。

標(biāo)準(zhǔn)采用名義應(yīng)力法和局部應(yīng)力法兩種方法對(duì)構(gòu)件的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估(見圖2)。兩種方法的評(píng)估過程基本相同，名義應(yīng)力法主要適用于桿狀或者殼構(gòu)件，局部應(yīng)力法適用于各種構(gòu)件[3]。

圖2 FKM標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度評(píng)估方法

文中制動(dòng)夾鉗單元的應(yīng)力通過有限元模擬仿真獲得，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)中的局部應(yīng)力法進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估，其評(píng)估過程如圖3所示。

圖3 局部應(yīng)力法疲勞強(qiáng)度評(píng)估

3 制動(dòng)夾鉗單元仿真模型校核

在有限元軟件中建立仿真模型，為保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，根據(jù)ASME V&V標(biāo)準(zhǔn)對(duì)仿真模型進(jìn)行校核、確認(rèn)[5]。首先校核仿真模型的穩(wěn)定性，采用不同尺寸網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，對(duì)模型中某些節(jié)點(diǎn)(見圖4)的應(yīng)力運(yùn)用J.R.Beisheim提出的方法進(jìn)行校核[6]，校核結(jié)果表明3種網(wǎng)格尺寸的計(jì)算結(jié)果相差很小，如表1所示，模型具有較好的穩(wěn)定性。

圖4 模型校核點(diǎn)位置圖

表1 仿真模型校核結(jié)果

為驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，根據(jù)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果和ASME V&V標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)仿真模型進(jìn)行確認(rèn)，結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的值分別為6.3%和7.6%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(不大于10%)[5]，因此判定仿真模型具有較好的準(zhǔn)確性，可以用于疲勞強(qiáng)度的評(píng)估分析。

圖5 制動(dòng)夾鉗單元靜強(qiáng)度測(cè)試

有限元仿真模型校核確認(rèn)后，采用1.8 mm網(wǎng)格模型對(duì)制動(dòng)夾鉗單元的疲勞工況進(jìn)行仿真計(jì)算。

4 吊架結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度評(píng)估

4.1 基于FKM標(biāo)準(zhǔn)的疲勞評(píng)估

取吊架的最大應(yīng)力點(diǎn)作為危險(xiǎn)評(píng)估點(diǎn)，評(píng)估點(diǎn)的應(yīng)力值如表2所示。

表2 評(píng)估點(diǎn)應(yīng)力值 /MPa

吊架材料為QT600，對(duì)應(yīng)FKM標(biāo)準(zhǔn)中的EN-GJS-600[3]，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算得到材料的抗拉強(qiáng)度Rm為600 MPa，疲勞極限σw為204 MPa。

由于夾鉗單元在常溫環(huán)境下工作，因此在評(píng)估中不考慮高溫影響。

FKM標(biāo)準(zhǔn)通過設(shè)計(jì)系數(shù)KWK,σ來考慮疲勞缺口系數(shù)、粗糙度系數(shù)等因素對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。

(1)

按公式(1)對(duì)評(píng)估點(diǎn)各應(yīng)力設(shè)計(jì)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程及結(jié)果如表3所示。

表3 評(píng)估點(diǎn)各應(yīng)力設(shè)計(jì)系數(shù)

為考慮載荷類型對(duì)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的影響，標(biāo)準(zhǔn)利用設(shè)計(jì)系數(shù)KWK，σ、平均應(yīng)力系數(shù)KAK、變幅疲勞系數(shù)KBK等計(jì)算疲勞強(qiáng)度幅值σBK，同時(shí)考慮各應(yīng)力分量疲勞強(qiáng)度的限值[3]。

(2)

利用公式(2)得到吊架評(píng)估點(diǎn)各主應(yīng)力的疲勞強(qiáng)度幅值σBK(見表4)。

表4 各主應(yīng)力疲勞強(qiáng)度幅值

根據(jù)制動(dòng)夾鉗單元的使用情況，確定吊架的安全系數(shù)jD為1.35[3]。

FKM標(biāo)準(zhǔn)通過利用度來評(píng)估疲勞強(qiáng)度，當(dāng)利用度小于等于1時(shí)，構(gòu)件滿足疲勞強(qiáng)度要求。利用度分為單獨(dú)應(yīng)力利用度αBK,σ和組合應(yīng)力利用度αBK,σv，其計(jì)算公式為：

(3)

根據(jù)吊架的疲勞應(yīng)力幅值、疲勞強(qiáng)度及安全系數(shù)，按公式(3)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估，其組合應(yīng)力利用度為0.542，表明吊架滿足疲勞強(qiáng)度要求。

則基于FKM標(biāo)準(zhǔn)的疲勞強(qiáng)度因子[7]為：

SFKM=1/σBK，v=1/0.542=1.85

4.2 基于修正Goodman曲線的疲勞評(píng)估

根據(jù)ORE B12/RP17報(bào)告中給出的修正Goodman曲線疲勞評(píng)估方法，首先對(duì)評(píng)估點(diǎn)各主應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力投影，將多軸狀態(tài)應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單軸狀態(tài)應(yīng)力。

通過投影得到評(píng)估點(diǎn)的最大、最小主應(yīng)力為：σmax=163.7 MPa，σmin=0。

(4)

按公式(4)得到評(píng)估點(diǎn)的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值分別為81.9 MPa、81.9 MPa。

吊架的材料性能為σb=600 MPa，σs=370 MPa，σ-1=249 MPa[8-9]。

根據(jù)評(píng)估點(diǎn)的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值，應(yīng)用Smith圖形式的修正Goodman曲線進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如圖6所示，從圖中可以看出，評(píng)估點(diǎn)在曲線范圍內(nèi)，滿足疲勞強(qiáng)度要求。

圖6 Goodman曲線評(píng)估結(jié)果

則基于修正Goodman曲線的疲勞強(qiáng)度因子[10]如下：

4.3 兩種評(píng)估結(jié)果對(duì)比分析

從FKM標(biāo)準(zhǔn)和Goodman方法的評(píng)估結(jié)果可以看出，兩種方法的評(píng)估結(jié)果基本一致，都可判定吊架滿足疲勞強(qiáng)度要求，說明FKM標(biāo)準(zhǔn)方法能夠用于疲勞強(qiáng)度的評(píng)估。同時(shí)FKM標(biāo)準(zhǔn)的疲勞強(qiáng)度因子(1.85)小于Goodman方法的疲勞強(qiáng)度因子(2.15)，說明FKM標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估相對(duì)保守，結(jié)果更加可靠，且評(píng)估過程中考慮了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、載荷類型等多種疲勞影響因素，因此較為科學(xué)可靠。

5 結(jié)論

本文首先利用ASME V&V標(biāo)準(zhǔn)對(duì)某制動(dòng)夾鉗單元的有限元仿真模型進(jìn)行校核、確認(rèn)，保證了仿真模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上，采用FKM標(biāo)準(zhǔn)中的局部應(yīng)力法對(duì)制動(dòng)夾鉗單元吊架進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估，其危險(xiǎn)點(diǎn)的組合利用度為0.542，滿足疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。同時(shí)和基于修正Goodman曲線的疲勞評(píng)估結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：FKM標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估結(jié)果較為安全可靠，且評(píng)估過程中考慮了較多的疲勞影響因素，過程較為科學(xué)合理，在軌道交通結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評(píng)估中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。