弹性旁承体金属骨架的疲劳寿命分析

王艳霞， 郭 娜， 吕 华， 万 涛， 张宝山

(中车石家庄车辆有限公司 技术中心， 石家庄 050043)

弹性旁承体是由弹性旁承体金属骨架和橡胶组成，寿命期为6年。在铁路货车检修过程中，大量弹性旁承体由于橡胶开裂或老化而被替换，但是弹性旁承体金属骨架却基本没有损坏。大部分被替换的弹性旁承体以危险品废品低价销售，收购商通过高温焚烧方式获取其金属骨架，销售废钢来获得利润。高温焚烧(800 ℃左右)去除废橡胶时导致金属骨架发生相变，一旦再流入铁路货车橡胶件市场将直接埋下安全隐患。同时焚烧过程中将产生二氧化碳以及大量的有害气体，造成严重的环境污染。因此校核弹性旁承体金属骨架的疲劳强度以确定其是否具有回收的价值，提高其循环使用的可靠性是非常有必要的。

1 弹性旁承体金属骨架疲劳载荷与评定标准

弹性旁承体金属骨架由4部分组成：顶板组成、侧板、底板组成、弹簧。弹簧不具有循环使用的价值，因此只需计算顶板组成、侧板、底板组成3部分的疲劳寿命。

根据运装货车[2006]190号文“关于印发《铁路货车用JC型双作用弹性旁承技术条件及检验方法》和审查意见的通知”[7]的规定，疲劳试验载荷与考核标准如表1所示,由于试验时纵向载荷是加载到两个旁承体上，因此计算时纵向载荷为规定的一半也就是11 kN，加载方式见图1、图2。

表1 疲劳计算实际加载载荷

2 有限元模型

对弹性旁承体金属骨架各组成部分的完整结构进行有限元建模分析，采用实体单元对各部件进行离散，如图3所示，有限元模型统计数据列于表2。

1-夹板；2-模拟旁承座；3-试样；4-紧固螺栓；5-底板。图1 纵向载荷施加方式

1-模拟旁承座；2-试样。图2 垂向载荷施加方式

表2 有限元模型统计数据

3 应力分析

弹性旁承体金属骨架各部件在表2所列疲劳试验载荷工况下应力计算结果见图4～图9。

图3 弹性旁承体侧板、底板、顶板结构离散网格模型

侧板只承受纵向载荷，大小为±11 kN，如图4所示就是侧板在纵向载荷作用下应力分布图，最大应力为6.61 MPa。

底板组成只承受垂向载荷，如图5所示就是底板组成在垂向载荷±6.6 kN作用下应力分布图，最大应力为2 MPa；如图6所示就是底板组成在强化垂向载荷±11 kN作用下应力分布图，最大应力为3.4 MPa。

顶板组成承受垂向载荷和纵向载荷，如图7所示就是顶板组成在±6.6 kN垂向载荷作用下应力分布图，最大应力为2.7 MPa；如图8所示就是顶板组成在±11 kN 强化垂向载荷作用下应力分布图，最大应力为4.5 MPa；如图9所示就是顶板组成在±11 kN纵向载荷作用下应力分布图，最大应力为30.1 MPa。

图4 侧板的应力计算结果

图5 底板在垂直载荷下的应力幅

图6 底板在强化垂直载荷下的应力幅

图7 顶板在垂直载荷下的应力幅

图8 顶板在强化垂直载荷下的应力幅

经过应力分析，顶板组成、侧板、底板组成最大应力分别为30.1 MPa、6.6 MPa、4 MPa，顶板、侧板、底板的材料分别为20号钢、Q235B和Q235A，通过表3查得Q235A的第一工况许用载荷是161 MPa，顶板组成、侧板、底板组成的最大应力远远小于Q235A的第一工况许用载荷，而20号钢和Q235B的力学性能要好于Q235A，因此顶板组成、侧板、底板组成在疲劳试验载荷工况下的最大应力均小于对应工况的材料许用应力。

图9 顶板在纵向载荷下的应力幅

材料及其牌号车体及转向架零件(轮对除外)第1工况第2工况制动零件普通碳素钢Q235-A(σs=235 MPa)161212 136

4 弹性旁承体金属骨架的疲劳寿命分析

弹性旁承体金属骨架的疲劳寿命可以用两种方法进行分析，一是计算大应力点疲劳损伤，如果其累计疲劳损伤小于1，则认为其可以使用所计算的次数；二是最大应力乘以安全系数小于所要求次数的疲劳极限也可以认为它可以使用所要求的次数。

(1)疲劳损伤

依据“BS EN 1993-1-9:2005欧洲设计规范3: 钢结构设计规范”，采用疲劳应力范围方法进行该旁承体疲劳强度评价与寿命预测。该规范在大量疲劳试验结果的基础上，根据2×106等幅疲劳强度Δσc试验结果将各种典型焊接接头划分为14个强度等级，并按等级设定了疲劳设计曲线、应力范围的区间。

图10 基准S-N曲线(EN 1993-1-9：2005)

极限ΔσL及等幅疲劳极限ΔσD，此处的应力范围为不含应力集中成分的名义应力值，其应力范围-疲劳寿命曲线(S-N曲线)如图10所示。图中不同的S-N曲线对应于不同的焊接接头和焊接细节。

应力范围—寿命曲线(Δσ-N曲线)定义如下：(式中m为材料常数)

其中m = 3，当N<5×106时

(1)

其中m=5，当5×106≤N≤108时

(2)

(3)

一个循环造成的损伤：D=1/N

(4)

式中N为对应于当前载荷水平S的疲劳寿命。

等幅载荷下，n个循环造成的损伤：

D=n/N

(5)

通过计算，结果如表4所示。

运装货车[2006]190号文规定的纵向载荷﹑垂直载荷和强化垂直载荷等疲劳载荷下,试验次数为1 000万次，所造成的疲劳累积损伤小于1，因此根据运装货车[2006]190号文的试验载荷要求，弹性旁承体金属骨架可以循环使用1 000万次。

表4 1 000万次循环下大应力点疲劳损伤计算结果 MPa

(2)疲劳极限

疲劳断裂应力判断依据为：

对称应力循环下σ≥σ-1；非对称应力循环下σ≥σr(r为应力比)。

顶板组成、侧板、底板组成最大应力分别为30.1 MPa、6.6 MPa、4 MPa，因为20号钢Q235B和Q235A的弹性模量泊松比差相不多，并且前两种材料的性能都好于Q235A，所以安全系数都可由表4金属零件许用应力表中Q235A的材料得出235/161=1.46,最大应力乘以安全系数就为σ。

从表5中可以看出顶板组成、侧板、底板组成的σ都小于其所对应的疲劳极限σ-1，因此在运装货车[2006]190号文规定的纵向载荷﹑垂直载荷和强化垂直载荷等疲劳载荷下,弹性旁承体金属骨架可以循环使用1 000万次。

根据运装货车[2006]190号文的试验载荷要求，弹性旁承体金属骨架可以循环使用1 000万次(相当于3个弹性旁承体寿命期)，考虑到一定的安全裕量，以及实际运行工况的复杂性等条件，建议弹性旁承体金属骨架可以连续使用两个弹性旁承体寿命期。为检验计算结果，委托中国铁道科学研究院金属及化学研究所，将使用一个寿命期后的JC型弹性旁承体，通过“无损剥离”技术剥离出的顶板、底板、侧板，重新硫化制备成弹性旁承体，对其进行组装疲劳试验。试验结果表明：

弹性旁承常温垂向刚度、纵向刚度、常规垂直疲劳、纵向疲劳、强化疲劳试验满足运装货车〔2006〕190号中的技术要求。

疲劳试验后，弹性旁承的金属骨架未见异常。

表5 弹性旁承体金属骨架应力值σ与疲劳极限σ-1对比 MPa

5 结束语

通过弹性旁承体金属骨架的疲劳寿命分析，我们认为弹性旁承体的金属骨架(除弹簧外)至少可以再循环使用一个弹性旁承体寿命期，因此弹性旁承体金属骨架具有回收价值，可以再循环使用弹性旁承体一个寿命期。在这基础上，中车石家庄车辆有限公司成立了“铁路货车金属橡胶复合件环保再利用项目”，2012年5月，该项目通过相关部门技术审查，与会专家讨论通过了中车石家庄车辆有限公司提出的《铁路货车金属橡胶复合件钢件检修技术条件》。2014年该项目获得中国铁道学会铁道科技二等奖。中车石家庄车辆有限公司在此项目基础上成立了河北中车环保科技有限责任公司，该项目实现了产业化，为节约资源、保护环境做出了一定贡献。2012年再利用弹性旁承体开始装车使用，弹性旁承体一个寿命期为6年，目前已有部分再利用弹性旁承体即将达到一个寿命期，使用效果良好。