转K6型转向架侧架疲劳寿命估算

华 杨，赵云生，汤劲松，贾万鹏

（1 青岛理工大学 机械工程学院，山东青岛266033；2 青岛四方车辆研究所有限公司 技术研究部，山东青岛266031）

我国铁路货车广泛使用三大件式转向架［1］。侧架作为转向架的部件之一，有着极为关键的作用。如果在运行中侧架出现疲劳断裂，将严重威胁列车运行安全，因此，侧架的疲劳问题一直是铁道货车行业极为关注的问题之一。随着我国铁道货运向重载高速方向的快速发展，转向架的受力更加恶劣，给转向架提出了更加苛刻的要求。目前，我国铁路货车开始大量使用轴重25 t、最高运营速度120km／h的转K6型转向架，有必要对其疲劳性能进行研究。

1 转K6型转向架侧架有限元静强度计算

使用PROE软件建立侧架的三维模型实体，见图1。根据几何结构和载荷的对称性，取侧架的1／2模型进行分析。在ABAQUS软件中采用二阶四面体单元划分有限元网格，侧架的1／2模型共划分为104 899个单元，产生177 776个节点，其有限元模型见图2。

实际运行中侧架承受的载荷较复杂，有限元分析时一般将其简化为简单的垂向载荷和横向载荷。参照TB／T 1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》（以下简称规范），在进行应力分析时，侧架的垂向载荷取349.9kN（1.5C），横向载荷取93.3kN（0.4C），分别作用在弹簧承台面和立柱面上。垂向载荷作用时，在半模型的对称面上施加对称约束，并约束轴箱垂向支承处单元的垂向线位移自由度；横向载荷作用时，在半模型的对称面上施加对称约束，并约束内侧导框面的横向线位移自由度［3］。

转K6型转向架侧架在垂向工况、横向工况、联合工况3种工况下的应力云图分别见图3～图5。由应力云图可见侧架应力较大的部位主要集中在承载鞍导框拐角处、承台下部拐角处、三角透视孔下边缘；转8A侧架的线路运营经验表明［4］，侧架的裂纹主要分布在导框拐角、承台拐角、三角透视孔等部位，因此可确定转K6侧架的疲劳关键部位。关键部位的应力（Von Mises）统计结果见表1。

图1 转K6型侧架三维模型

图2 转K6型侧架有限元模型

图3 垂向工况下侧架的应力云图

图4 横向工况下侧架的应力云图

图5 联合工况下侧架的应力云图

表1 转K6型转向架侧架应力计算结果 MPa

B+级钢的许用应力为151MPa，从有限元计算结果可以看出，侧架关键部位均满足静强度要求。

2 转K6型转向架侧架疲劳寿命估算

当侧架承受循环载荷作用时，可能在比静载荷条件低得多的应力下导致结构疲劳破坏，因此应分析循环载荷作用下侧架的疲劳寿命。本文采用名义应力法［2］对侧架的寿命进行估算。

2.1 材料和构件的S—N曲线

S—N曲线即材料和构件的应力—寿命曲线。在双对数坐标系中，材料的S—N曲线为两条直线，考虑疲劳强度降低系数Kf，对两段直线的交点所对应的疲劳极限进行修正，并以此为纵坐标，以N=106为横坐标确定一点；再以N=103所对应的材料的疲劳极限为纵坐标（不修正），以N=103为横坐标确定另一点。通过这两点所确定的直线即为构件的S—N曲线的斜线部分。另外，将S—N曲线在大于106循环的部分按-（2｜k｜-1）（k为S—N曲线在小于106循环的直线斜率）的斜率往下延伸，以考虑小应力幅值循环对寿命的影响。

对于铸钢件，Kf相当于由于存在铸造缺陷而导致构件S-N曲线的下降程度。Kf的变化主要反映了金属内部缺陷程度（如裂纹、气孔、夹碴、缩孔）的变化。AAR标准中的有关试验数据表明，Kf=1.5～2的中等缺陷代表铸件的正常质量水平，而且有很高的统计出现概率，2＜Kf＜3甚至Kf＞3的裂纹大缺陷也可能存在，可视大缺陷为偏离了正常的质量和良好的铸造工艺，质量管理的任务就是消除此类缺陷。表2为不同疲劳强度降低系数时的S—N曲线方程。

表2 不同疲劳强度降低系数下的S－N曲线方程

2.2 侧架疲劳载荷谱的确定

本文分别选用AAR机务标准M—1001—97第Ⅶ章"新造货车的疲劳设计"中载重90.7t（29.5t）高边敞车摇枕垂向总载荷谱和大秦线实测载荷谱。假设摇枕垂向总载荷与轴重成线性关系，这样可将AAR机务标准中的29.5t轴重摇枕垂向总载荷谱换算成本文所要用的25t轴重摇枕垂向总载荷谱，载荷谱的换算系数为1.18。

（1）侧架垂向载荷谱

AAR机务标准中提供了摇枕垂向总载荷谱数据，取摇枕垂向总载荷的一半作为侧架垂向载荷；大秦线实测载荷谱中提供了转向架重车垂向（承载鞍）载荷谱，取（承载鞍）载荷谱的两倍作为侧架垂向载荷谱。利用表1中垂向载荷的有限元应力计算结果，按载荷与应力成线性关系由侧架载荷谱换算成侧架应力谱。

（2）侧架横向载荷谱

AAR机务标准和大秦线实测载荷谱中均未提供侧架横向载荷谱数据。借用皮尔巴哈铁矿石车M系列30.0t轴重侧架横向载荷谱［5］，按载荷与轴重成线性关系换算成本文所要用的25t轴重侧架横向载荷谱，载荷谱的换算关系为1.2。利用表1中横向载荷的有限元应力计算结果，按载荷与应力成线性关系由侧架横向载荷谱换算成侧架的应力谱。

2.3 非零应力均值的修正及疲劳寿命估算

材料的S-N曲线大都是在对称循环条件下（即R=-1，应力均值为零）得到的，而侧架上所受的应力都是非对称循环，应力均值不为零。为此，引入Goodman经验公式对应力均值进行修正，即：

式中σa为应力幅值；σ为应力均值；σ-1a为对称循环下的应力幅；σb为B+级铸钢的强度极限。

根据Goodman经验公式（3）将非对称循环应力转化为对称循环后的应力幅为：

侧架的寿命为：

式中β表示每公里谱总循环数。

按照上述方法计算了不同疲劳强度降低系数时侧架的疲劳寿命，见图6、图7。具体计算结果见表3、表4。

图6 AAR载荷谱下不同疲劳强度降低系数时侧架的疲劳寿命

图7 大秦线实测载荷谱下不同疲劳强度降低系数时侧架的疲劳寿命

表3 AAR载荷谱下侧架的疲劳寿命

表4 大秦线实测载荷谱下侧架的疲劳寿命

从图中可以看出，疲劳强度降低系数Kf在1.5～2之间，侧架疲劳寿命急剧降低；而疲劳强度降低系数Kf在2～3之间，侧架疲劳寿命的变化则趋于平缓。由此可见，疲劳强度降低系数是影响侧架疲劳寿命的重要因素之一。

根据表3、表4，在AAR载荷谱和大秦线实测载荷谱下，侧架正常铸造水平Kf=1.5～2.0时，其寿命大于1 000万km，近似按重车每年运行20万km计算，该侧架的寿命大于40年。

3 结论

（1）同等疲劳降低系数下，由AAR载荷谱估算的侧架疲劳寿命比大秦线实测载荷谱下所估算的寿命要短，即大秦线载荷谱较AAR载荷谱有很大的强度余量。这是因为AAR载荷谱是北美典型路况下所编制的载荷谱，采集时间长，信息丰富；而大秦线实测载荷谱是局部路况下所编制的载荷谱，采集时间短，采集次数较少，其线路具有较大的局限性，因此，该载荷谱目前仅适用于运行于大秦线的车辆。

（2）侧架的疲劳寿命随着疲劳降低系数的增大而急剧降低，可见疲劳降低系数对疲劳寿命有重大的影响。因此应提高侧架的整体铸造水平，尽量减少关键部位的铸造缺陷，从而降低其疲劳降低系数，有助于提高其疲劳寿命。

（3）为了更加准确的预测我国铁路货车疲劳寿命，建议尽快开展通用线路的载荷谱测试工作。

［1］严隽耄.车辆工程［M］.北京：中国铁道出版社，1999.

［2］徐 灏.疲劳强度［M］.北京：高等教育出版社，1988.

［3］刘德刚，杨爱国，李 铁.转8A型转向架侧架疲劳寿命分析［J］.铁道车辆，2003，41（10）：11-16.

［4］黄诗尧.K6型转向架关键部位的疲劳应力研究［D］.西南交通大学，2006.

［5］何 莹.30t轴重货车转向架侧架疲劳寿命及断裂安全性评价［D］.北京交通大学，2009.

［6］运装货车［2009］318号，关于新型大轴重铁路货车技术研究有关工作的通知［S］.