不同铸造缺陷下的L-B 型制动梁闸瓦托疲劳寿命预测*

俞正宽，朱 涛，肖守讷，阳光武，杨 冰

（西南交通大学 牵引动力学国家重点实验室，成都 610031）

目前，随着铁路货车朝着重载和快速的方向发展，列车制动过程中的安全问题就显得尤为重要。制动梁是基础制动装置中的一个重要结构，对货车整体的制动性能有着重要影响［1］。而闸瓦托作为制动梁中的关键组成部分，主要负责支撑制动梁梁体和连接闸瓦，其在使用过程中受力状态也较为复杂，因此有必要对其疲劳寿命进行预测分析。为后续的生产检修运用提供一定的指导意义。

近年来，有些专家学者对我国铁路货车制动梁的闸瓦托进行相关研究。刘振明对L-B 型制动梁闸瓦托进行实物解剖分析，并对出现缺陷的部位进行探伤和金相检验，对其常见的缺陷进行分类和判别，找出缺陷原因，并提供了几种改进建议［2］。李永闯发现L-B 型制动梁闸瓦托在车辆制动试验时存在闸瓦上部与车轮贴靠不严的问题，针对此问题，进行检测和分析，认为是由闸瓦托同向后仰变形造成的，并从其结构本身的角度，提出了解决办法和改进建议［3］。王锦奎针对L-B 型制动梁闸瓦托在不同检修周期中出现的一些问题进行统计，并对不同故障产生的原因进行总结，最后从制造工艺和检修作业流程等方面提供了相关的改进建议［4］。

针对闸瓦托的这些研究，大部分是对闸瓦托实际的故障进行统计分析，并对其结构和检修工艺流程进行调整优化，但很少有从仿真的角度，将铸造工艺所导致的缺陷考虑在内，对其疲劳寿命进行预测。因此文中以当前我国铁路货车L-B 主型制动梁为例，对闸瓦托进行受力分析，结合静力分析结果，并重点考虑铸造缺陷所带来的影响，对其在不同铸造缺陷下的疲劳寿命进行预测。

1 闸瓦托结构有限元分析

L-B 型制动梁的结构和主要受力如图1 所示。闸瓦托结构如图2 所示，主要有闸瓦托底部、闸瓦托滑块根部以及闸瓦托圆弧3 大部分。其底部有铆钉孔，主要通过铆钉和制动梁的梁架相连接；在滑块的根部处有销钉孔，通过销钉孔和磨耗套相连，并固定在侧架滑槽处；圆弧部分设有相应的卡槽，用来和闸瓦进行连接。

图1 L-B 型制动梁结构与受力

图2 闸瓦托结构图

通过对制动梁整体进行有限元分析，确定闸瓦托结构的应力分布状态。制动梁整体主要由两侧的闸瓦托滑块进行支撑，工作时，主要承受来自从制动缸传递至中间支柱处的制动力，以及制动过程中，轮对对闸瓦托圆弧处的切向摩擦力。

根据制动梁整体的受力特点，建立其有限元分析模型，制动梁的有限元模型如图3 所示。在滑块处添加固定约束，同时在制动梁的支柱中心销孔位置施加制动力，在两侧的闸瓦托圆弧处施加切向的摩擦力。根据《铁路货车组合式制动梁试验方法》［5］对其制动力和摩擦力大小进行计算，制动力Fn的表达式为式（1）：

图3 制动梁有限元模型边界条件

式中：D为制动缸直径，取356 mm；P为紧急制动时制动缸空气压力，取420 kPa；n为制动梁倍率，取10；m为1 辆车上的制动梁数量，取4。因此根据公式，计算得出制动力为104.5 kN。

制动梁每个闸瓦托受到的摩擦力Fq为式（2）：

式中：Fn为制动力，取104.5 kN；f为车轮和闸瓦间的摩擦系数，取0.418，因此每个闸瓦托受到的切向摩擦力为21.8 kN。

对制动梁整体进行有限元计算后，单独将闸瓦托的应力结果提取出来，确定其薄弱位置，闸瓦托的应力云图如图4 所示。

图4 闸瓦托应力云图

根据闸瓦托计算的应力结果可知，闸瓦托最大应力值为191 MPa，闸瓦托整体所受到的应力值均在屈服强度280 MPa 以内，因此其静强度结果满足要求。最大应力值出现在闸瓦托滑块根部，为闸瓦托最薄弱部位，对闸瓦托进行疲劳预测时，应重点关注此部位。

2 不同铸造缺陷下的闸瓦托结构S-N 曲线

2.1 闸瓦托材料S-N 曲线

L-B 型制动梁闸瓦托的材料为B 级铸钢，在《铁道货车铸钢摇枕、侧架技术条件》［6］中，对B 级钢的材料的性能规定见表1。

表1 B 级钢的力学性能

目前对于B 级钢材料的S-N曲线试验数据研究较少，因此文中根据以上参数对B 级钢的S-N曲线进行参数估计。

材料的疲劳曲线是应力S和循环次数N的基本关系，一般在应力比R=-1 时，即对称循环载荷下测得。描述材料S-N曲线较为常用的是幂函数形式，其方程为式（3）：

式中：m和C均是和材料相关的参数，通过对式（3）两边取对数，得到式（4）：

式中：A=lgC/m，B=-1/m。通过式（4）可看出，应力S和循环次数N在双对数坐标下，二者成线性关系，材料的S-N曲线如图5 所示。

图5 材料的基本S-N 曲线

根据图5 所示，只需知道2 个点，就可以推算出材料的S-N曲线。图中当循环次数大于Nf时，材料不产生疲劳损伤，为无限寿命，Nf所对应的应力值Sf称为疲劳极限。对于钢材而言，Nf一般为107次，根据B 级钢的抗拉强度Su，可以对其S-N曲线参数进行估计。根据参考文献［7］，在应力比R=-1 时，材料在拉压载荷作用下，材料的参数可以做如下的近似估计：当Nf=107次时，Sf=0.35Su，当N1=103次时，S1=0.9Su。

确定了图中2 点坐标后，可以算出式（4）中的参数A和B：

B 级钢的抗拉强度Su取485 MPa。根据上述的公式可以计算出，Sf=0.35Su=169.75 MPa，S1=0.9Su=436.5 MPa，B=-0.102 5，A=2.948。

因此可以得到B 级钢在应力比R=-1 时的SN曲线方程为式（7）：

其对应的S-N曲线如图6 所示：

图6 B 级钢材料的S-N 曲线

2.2 闸瓦托结构的S-N 曲线

由于闸瓦托整体采用铸造的加工方式，因此在计算其疲劳寿命时，要将铸造缺陷所带来的影响考虑在内。因此需要对闸瓦托材料的S-N曲线进行适当修正，得到可用于闸瓦托疲劳分析的S-N曲线。修正时，主要引入疲劳强度降低系数kf对其疲劳极限值进行修正，即改变材料曲线中107次循环下的应力值，对103次下的应力值保持不变［8］。根据AAR 标准［9］中，不同的铸造缺陷对应不同的疲劳强度降低系数，具体见表2。

表2 AAR 标准中不同铸造缺陷下的疲劳强度降低系数

根据不同的缺陷状态确定疲劳强度降低系数，并计算得到不同疲劳强度降低系数下的材料S-N曲线参数和方程，见表3。根据方程，绘制出相应的S-N曲线，如图7 所示。

图7 不同疲劳强度降低系数下的闸瓦托疲劳曲线

表3 不同疲劳强度降低系数下的S-N 曲线参数和方程

3 闸瓦托疲劳寿命预测

3.1 疲劳载荷谱

根据《铁路货车组合式制动梁》中，对于制动梁施加的疲劳载荷为制动力载荷与摩擦力载荷，其载荷大小与静强度载荷一致。其二者的加载波形如图8 所示，加载频率最高不超过4 Hz。Fn为制动力，大小为104.5 kN，主要施加在制动梁的支柱圆销孔处；Fq为摩擦力，大小为21.8 kN，主要施加在制动梁两侧闸瓦托的圆弧面处。标准载荷谱中规定以制动力加载频次为基准，施加频次达到100万次（对应160 万km），制动梁各部位均不应出现裂纹，证明该制动梁产品合格。

图8 制动梁的疲劳载荷谱

3.2 疲劳寿命预测方法

文中主要采取名义应力法对闸瓦托进行疲劳寿命预测。用该方法结合被分析零构件的S-N曲线，再通过计算分析得出结构疲劳危险部位的名义应力，最后结合平均应力修正以及疲劳累积损伤理论，对其疲劳寿命进行预测评估。闸瓦托结构的疲劳寿命分析步骤和流程如图9 所示：

图9 闸瓦疲劳寿命分析流程

（1）根据闸瓦托结构的有限元分析结果，确定其疲劳薄弱位置，并求解出薄弱位置的名义应力。

（2）确定结构的疲劳载荷谱，将载荷谱施加到结构分析中，确定结构的应力谱。

（3）在计算过程中，基于不同铸造缺陷的闸瓦托结构S-N曲线，采用Goodman 公式，对平均应力进行修正，并结合Miner 线性累积损伤理论，求出不同铸造缺陷系数下的闸瓦托疲劳寿命。

3.3 疲劳寿命分析结果

根据上述疲劳分析步骤，对闸瓦托的疲劳寿命进行计算分析。按照标准中规定的疲劳载荷谱作为输入，并将循环次数和里程数进行折算，得到不同铸造缺陷下的闸瓦托疲劳寿命及其使用里程。首先得到不同铸造缺陷下的闸瓦托疲劳寿命循环次数，见表4。在此基础上，将疲劳寿命循环次数与里程数进行折算，进而得到相应的闸瓦托里程寿命，如图10 所示。

图10 不同疲劳强度降低系数下的闸瓦托疲劳寿命

表4 不同铸造缺陷下的闸瓦托疲劳寿命结果

由表4 中统计数据可知，在无缺陷和小缺陷的理想状态下，闸瓦托疲劳循环次数达到截止次数，即107次，此时闸瓦托为无限寿命；在中等铸造缺陷下，闸瓦托寿命里程急剧减小，对应里程约为224万km；在大的铸造缺陷下，闸瓦托的使用寿命较短，均不到100 万km，小于标准中规定的160 万km，使用寿命较低，均属于不合格产品。

4 总 结

文中确定了L-B 型制动梁闸瓦托结构薄弱位置的基础上，对不同铸造缺陷下的结构疲劳寿命进行预测分析，得到有关结论如下：

（1）闸瓦托结构受铸造工艺缺陷的影响，结构的S-N曲线与光滑材料试验下的S-N曲线相比有显著的不同，在疲劳计算时应重点考虑铸造缺陷对闸瓦托材料性能的影响，采用不同铸造缺陷下的S-N曲线才能得到相对准确的疲劳寿命结果。

（2）以标准中的疲劳载荷谱对闸瓦托进行疲劳计算，计算过程中考虑平均应力的影响，结合Miner 线性累积损伤理论，得到不同铸造缺陷下的闸瓦托疲劳寿命；在无缺陷和小缺陷的理想状态下，闸瓦托接近于无限寿命；在中等铸造缺陷下，闸瓦托寿命急剧减小，对应里程约为224 万km；在大的铸造缺陷下，闸瓦托的使用寿命小于100 万km，低于标准规定的160 万km。

基于文中的分析可知闸瓦托在生产制造过程中，应严格把控铸造工艺，避免产生大的铸造缺陷，在检修维护中，应重点关注闸瓦托根部位置；要得到更准确的疲劳寿命结果，应从闸瓦托取样，进行材料疲劳性能测试，得到更准确的材料数据，或者为闸瓦托设计相应的工装，进行整体疲劳试验。