高速重载列车钩舌疲劳可靠性研究

杜彪 张恒

摘 要：基于ANSYS有限元软件，本文对钩舌进行模块化应力分析，通过内部的求解系统得到拉应力时，最大应力为钩舌内腕面处。采用GPL-200材料疲劳试验系统，分别试验分析得出国产和美国钩舌材料的疲劳寿命特征，国产材料的疲劳寿命不及美国材料的疲劳性能，但离散度小。采用Monte-Carlo方法产生随机载荷谱，对国产钩舌与美国钩舌进行寿命预测。

关键词：钩舌；疲劳可靠性；高速重载

1 前言

钩舌是铁路车辆纵向力传递最重要的部件之一，对列车的安全编组、运行有直接的影响，所以，车钩疲劳强度一直是铁路运输部门最基本的要求。近年来，铁路货车运输业不断向高速、重载方向发展，车列的纵向冲击明显增强，对钩舌的疲劳强度性能提出了越来越高的要求，钩舌的承载能力直接制约了铁路运力，因此提高钩舌的疲劳可靠性是现代铁路运输业亟待解决的重要问题之一[1]。

大秦运煤专用车装配的车钩有国产和美国生产的，两种材质均为E级钢[2]。根据检修数据对比，在相同的运行条件下钩舌钩腕面处出现裂纹报废，国产车钩的报废率约为90%时，美国车钩的报废率约为10%。由此可见，估算其疲劳寿命并分析其疲劳特性对钩舌的制造和使用具有实际的指导意义。

2 钩舌有限元分析

在钩舌的极限载荷下进行应力仿真分析，计算结果如图1所示：钩舌内腕面处的应力最大，与运用条件下裂纹多在内腕面处相符合[3]；牵引台部位应力较大且易于出现应力集中，这与运用条件下裂纹也会在牵引台处发展相符合；由于牵引台部位发生应力集中的面积相对于钩舌内腕面处较小，运用中在不断磨合的作用下护销突缘也承受部分拉力，牵引台部位应力降低，本文以钩舌内腕面的应力分析为主。

3 试验

3.1 试验材料

本文对钩舌材料进行了拉伸载荷下的疲劳寿命试验，采用GPL-200材料疲劳试验系统。本试验主要测量材料的拉压疲劳极限。拉压载荷加载方式：正弦曲线；加载频率：160.5Hz；循环应力比为r=-1；试验环境：温度在15～25℃之间，无潮湿、腐蚀性空气的环境；加载时，使试样受力对称分布，同轴度良好；静态平均值与动态幅值的允许误差须低于±1%和±3%。试件尺寸如图2所示。

3.2 试验结果分析

采用单点法试验数据得出国产钩舌材料的p-S-N曲线斜线方程，拟合出p=50%的p-S-N曲线斜线方程以及p=90%的曲线斜线方程，然后修正与检验。由最小二乘法根据单点法试验数据拟合出p-S-N曲线斜线方程。最小二乘法是

，使取得最小值的，计为，式中是样本值。点的循环次数的对数对应的正态分布的概率密度值为：

国产钩舌材料的直线方程推导如图3所示：在高周疲劳的情况下，随着可靠度的提升，疲劳寿命相差不是很大，超高周疲劳中疲劳时寿命相差较大，这与超高周疲劳的离散性比较大相符合，50%可靠度的疲劳极限比90%可靠度的疲劳极限减少10%左右。

为了研究拉吨对材料的影响，分别对国产材料拉吨前后进行了拉伸试验，发现拉吨后材料的疲劳性能下降30%左右，而且拉吨后随着疲劳可靠性的提高，疲劳寿命降低更快。在高周疲劳时，拉吨前后疲劳寿命随着可靠度升高，变化不是很大，而在高周疲劳时则较大，如图4所示。

为了研究美国与国产材料的差别，分别对两种材料拉吨进行了拉伸试验，发现美国的钩舌材料疲劳寿命比国产的高20%左右，美国的材料随着可靠度的提高变化比较大，而国产材料相对变化较少；在超高周疲劳时，随着可靠度的提高，美国材料与国产材料变化均较大，如图5所示。

4 疲劳寿命预测

Ni为对数正态分布，因此考虑用Monte-Carlo[4]方法求解该式。

对数疲劳寿命服从正态分布～，可靠度p=90%和p=10%的两条直线方程为：

又由对数疲劳寿命服从正态分布，得：

由式1、2解得：

利用Monte-Carlo方法生成随机载荷谱，用正态分布、对数分布拟合疲劳寿命，而载荷谱下的寿命次数为10lgNi。

根据上述方法，编制计算程序录入载荷谱，采用Monte-Carlo方法计算疲劳可靠性寿命。本研究过程进行2000次模拟计算，并完成随机寿命统计，得出的寿命千米数如图6、7所示：国产钩舌的疲劳寿命低于美国钩舌；另外由于国产钩舌的疲劳强度分散性小，寿命分散性也较小。

5 结论

本文对国产和美国两种材料的钩舌进行了仿真与试验分析，通过分析得出以下结论：

（1）钩舌被破坏时主要受拉应力作用，最大拉应力出现在钩舌内腕面处。

（2）对国产和美国两种材料进行了试验，美国材料的疲劳性能优于国产材料，但是其离散性较大，随着可靠度的增加变化较大。

（3）使用Monte-Carlo方法产生随机载荷谱，预测钩舌的疲劳寿命，美国钩舌的平均寿命为国产钩舌的2倍左右，且离散度为国产钩舌的2倍左右。

参考文献

[1]李晓慧，谢基龙.重载列车E级钢钩舌疲劳裂纹扩展条件及寿命预测[J].北京交通大学学报，2006，30（4）：102-105.

[2]刘青峰，謝基龙，缪龙秀，等.钩尾框尾部弯角疲劳裂纹扩展寿命预测研究[J].北京交通大学学报，2002，24（5）：42-46.

[3]徐倩，谢基龙，缪龙秀，等.基于单轴损伤的火车钩尾框多轴疲劳寿命分析[J].北京交通大学学报，2002，24（1）：19-22.

[4]K Liffman.A Direct Simulation Monte-Carlo Method for Cluster Coagulation[J].J.Comp.Phy，1992，100（1）：116-127.