鐵道車輛構(gòu)件壽命的展望范文

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根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可繪制在應(yīng)力循環(huán)特性不變的循環(huán)過(guò)程中反映上述參數(shù)變化的試驗(yàn)曲線。根據(jù)更好的符合試驗(yàn)曲線的條件來(lái)選取合適的近似函數(shù)，其形式在多循環(huán)疲勞方面與循環(huán)應(yīng)力值無(wú)關(guān)。其次，這個(gè)描述整個(gè)動(dòng)力曲線族的函數(shù)可用來(lái)進(jìn)行非固定加載時(shí)的壽命計(jì)算。在力的立題中，材料的循環(huán)狀態(tài)用抗拉強(qiáng)度的實(shí)時(shí)值SB(σM，n)確定。隨意選擇解析函數(shù)來(lái)描述試驗(yàn)曲線SB(σM，n)，有可能導(dǎo)致零件壽命預(yù)測(cè)的非單值性。建議在設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)計(jì)算中盡可能使用簡(jiǎn)單函數(shù)，例如冪函數(shù):在多循環(huán)疲勞方面，為不同固定應(yīng)力值σM(圖2中的曲線1、曲線2)建成的動(dòng)力學(xué)曲線SB(σM，n)，屬于由函數(shù)(1)所描述的一個(gè)曲線族。它們?cè)邳c(diǎn)A和點(diǎn)Б經(jīng)過(guò)疲勞曲線3。具有相同強(qiáng)度值SB的材料的兩種狀態(tài)如Д和C在循環(huán)上是相當(dāng)?shù)摹：髢蓚€(gè)表達(dá)式在下列情況下重合:第一，當(dāng)兩級(jí)應(yīng)力差趨于0時(shí)，但這將會(huì)是固定加載;第二，在m→∞的情況下，當(dāng)材料性能直到破壞也沒(méi)有發(fā)生變化時(shí)。顯然是材料弱化模型算題在Palmgren-Miner意義上將始終是非線性的。其中也包括在m=1的情況下，當(dāng)動(dòng)力學(xué)曲線變成直線時(shí)。第一個(gè)公式中的附加因數(shù)反映出，在實(shí)驗(yàn)力學(xué)中早為人們熟知的不同數(shù)值應(yīng)力相互作用的影響。除此之外，它還排除了應(yīng)力循環(huán)任何重新組合的可能性。因此，從計(jì)算中排除了兩個(gè)不充分的理論假定:損壞的線性疊加準(zhǔn)則和應(yīng)力循環(huán)總譜中損壞作用獨(dú)立性假定。

在實(shí)際計(jì)算中，通常使用以基本原理為依據(jù)的簡(jiǎn)化算法。評(píng)估零件疲勞壽命的工程方法須滿足以下計(jì)算要求:(1)具有概念的清晰性和確定損壞標(biāo)準(zhǔn)、疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)、損壞疊加準(zhǔn)則、疲勞裂紋出現(xiàn)和穩(wěn)定發(fā)展時(shí)計(jì)算循環(huán)數(shù)的進(jìn)程的統(tǒng)一性;(2)依靠積累的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或那些可在工廠實(shí)驗(yàn)室和參考文獻(xiàn)積累范圍內(nèi)得到的數(shù)據(jù);(3)避免采用未經(jīng)檢驗(yàn)的假定，允許在任何計(jì)算階段直接進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn);(4)具有清晰的算法或向用戶提供帶有詳細(xì)說(shuō)明的程序資料;(5)在確定的立題中，或者在隨機(jī)原始值分布的分位點(diǎn)有數(shù)據(jù)的情況下半概率立題中進(jìn)行計(jì)算;(6)給出具有可接受的準(zhǔn)確度的壽命預(yù)測(cè)，并含有計(jì)算方法使用范圍和獲得結(jié)果的說(shuō)明。建議的材料模型既包括新的關(guān)系式(式(1)～式(3))，也包括已知的關(guān)系式:在總結(jié)平面循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下疲勞試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，所獲得的相似判據(jù)是足夠多的。換算應(yīng)力的具體形式σП=σia/(1－σim/σB)對(duì)于工程計(jì)算是很方便的，因?yàn)閼?yīng)力幅值σia和平均循環(huán)應(yīng)力σim是在標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算綜合體中算得的。此外，計(jì)算中不需要引用非對(duì)稱循環(huán)系數(shù)。不排除第一主應(yīng)力作為當(dāng)量應(yīng)力利用的可能性，因?yàn)椴牧显谄谄茐那安豢杀苊獾匾l(fā)生脆化。薄壁管疲勞試驗(yàn)也表明，第二主應(yīng)力不影響壽命，如果它比第一主應(yīng)力小80%。相似的應(yīng)力狀態(tài)也能實(shí)現(xiàn)，例如，罐車的罐體中材料循環(huán)弱化的計(jì)算得出，與在損壞線性疊加基礎(chǔ)上進(jìn)行的預(yù)測(cè)相比，計(jì)算壽命大大降低了。

對(duì)可把提供的材料模型和COSMOSWorks模型中應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)計(jì)算統(tǒng)一起來(lái)的方法，建議采用18-100型轉(zhuǎn)向架鑄件在試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)條件下進(jìn)行檢驗(yàn)。搖枕的計(jì)算是按下列程序進(jìn)行的:(1)根據(jù)搖枕設(shè)計(jì)圖樣研制SolidWorks空間模擬系統(tǒng)固體模型;(2)在與SolidWorks系統(tǒng)整合在一起的COS-MOSWorks有限元分析模數(shù)中，建立搖枕的有限元模型，并使模型所有有限元具有相同的特性;(3)根據(jù)給出的固定循環(huán)的最大載荷Pmax=784kN，計(jì)算COSMOSWorks模型中搖枕的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)(圖3)和內(nèi)部加強(qiáng)筋的危險(xiǎn)點(diǎn);(4)確定每一個(gè)有限元的計(jì)算疲勞極限和最大加載數(shù)N(σmax);(5)根據(jù)疲勞曲線找出所有有限元中破壞前的循環(huán)數(shù);(6)在循環(huán)數(shù)N(σmax)的情況下，在用VBA語(yǔ)言專門編制的程序中假定循環(huán)停止，最大負(fù)載單元按照疲勞強(qiáng)度判據(jù)(2)失效(消失);(7)進(jìn)行一個(gè)帶斷開(kāi)單元薄板的新的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)計(jì)算，并檢驗(yàn)其余單元的靜強(qiáng)度條件;(8)那些沒(méi)有實(shí)現(xiàn)這個(gè)條件的單元也失效，找出新的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，重新檢驗(yàn)了靜強(qiáng)度條件等;(9)在完成所有未失效單元中靜強(qiáng)度條件的情況下完成迭代過(guò)程，采用該條件作為在N(σmax)次循環(huán)后有部分破壞單元新的平衡狀態(tài)存在的條件;(10)搖枕以新的應(yīng)力值繼續(xù)循環(huán)加載到任何一個(gè)單元，直到未重新實(shí)現(xiàn)疲勞強(qiáng)度條件(2)為止;(11)循環(huán)重新停止，單元失效并開(kāi)始新的計(jì)算應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)的迭代過(guò)程;(12)找出新的平衡狀態(tài)，而任一計(jì)算階段不能平衡都被看作是整個(gè)搖枕破壞。假定的循環(huán)停止的根據(jù)是，循環(huán)弱化和彈性體應(yīng)力再分配過(guò)程的實(shí)際時(shí)間的不可比性。認(rèn)為后一個(gè)過(guò)程是瞬時(shí)的，且因?yàn)樽饔玫木植啃远豢紤]動(dòng)力作用。根據(jù)用本文建議的工程方法進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，搖枕疲勞裂紋出現(xiàn)前和破壞前的循環(huán)數(shù)分別為NTP=1755100和Npaзp=2065100。

搖枕內(nèi)部加強(qiáng)筋疲勞裂紋萌生處示于圖4。為了進(jìn)行比較，在邊界條件不變的情況下，利用疲勞損壞線性疊加準(zhǔn)則，完成了同樣結(jié)構(gòu)搖枕的壽命計(jì)算。疲勞裂紋出現(xiàn)前的循環(huán)數(shù)未發(fā)生變化，搖枕破壞前的循環(huán)數(shù)達(dá)到了數(shù)千萬(wàn)次。對(duì)26個(gè)搖枕進(jìn)行的試驗(yàn)臺(tái)疲勞試驗(yàn)認(rèn)定，受試零件疲勞裂紋出現(xiàn)前的循環(huán)數(shù)以及在它們破壞前的循環(huán)數(shù)都屬于正態(tài)分布律。疲勞裂紋出現(xiàn)前循環(huán)數(shù)的算術(shù)平均值為173萬(wàn)次，而搖枕破壞前的循環(huán)平均值為233萬(wàn)次。搖枕下弦桿出砂孔處的內(nèi)部加強(qiáng)筋，然后是在鑄件側(cè)壁的破壞循環(huán)數(shù)為88.5%。裂紋出現(xiàn)前的循環(huán)數(shù)、裂紋的萌生處和裂紋的發(fā)展方向都與試驗(yàn)觀測(cè)到的相一致。根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展的循環(huán)數(shù)，計(jì)算與試驗(yàn)之間存在11.5%的偏差，這是工程計(jì)算不能接受的。為了改進(jìn)壽命預(yù)測(cè)，應(yīng)考慮到零件表層性能的異常和循環(huán)載2012年6月6日，StadlerRail公司推出其“迄今為止最大型、動(dòng)力最強(qiáng)的齒軌機(jī)車”。

巴西MRSLogística公司于2010年訂購(gòu)了7臺(tái)定制設(shè)計(jì)的DC3kV電力機(jī)車，用來(lái)在連接圣保羅和桑多斯港口的10km長(zhǎng)齒軌線上牽引運(yùn)輸鐵礦石的重載列車。表1為MRSLogística型齒軌機(jī)車的技術(shù)參數(shù)。該齒軌機(jī)車裝有2臺(tái)二軸轉(zhuǎn)向架，每臺(tái)轉(zhuǎn)向架帶有2個(gè)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，與三鋼板式Abt齒軌嚙合。2臺(tái)獨(dú)立式粘著牽引電機(jī)可提供25%的動(dòng)力。Stadler公司稱，這款齒軌機(jī)車的動(dòng)力是該線路上現(xiàn)役日立公司機(jī)車的2倍。在齒軌線路上，原本每列車的最大載重量為500t，但采用了Stadler新款齒軌機(jī)車后，每列車的載重量可增至800多t。同時(shí)，再生制動(dòng)的運(yùn)用可為DC3kV供電制式線路節(jié)省大量能源。該齒軌機(jī)車計(jì)劃將在2012年年末交付使用。

作者：В．И．МИРОНОВ