地铁车辆轴箱吊耳断裂分析及优化

JournalofMechanicalStrength
2022ꎬ44(2):461 ̄467
DOI:10 16579/j.issn.1001 9669 2022 02 028
∗20211205收到初稿ꎬ20220110收到修改稿ꎮ
∗∗姬芳芳ꎬ女ꎬ1984年1月生ꎬ河南焦作人ꎬ汉族ꎬ唐山师范学院副教授ꎬ硕士ꎮ主要研究方向为结构设计及仿真分析方面的研究ꎮ
地铁车辆轴箱吊耳断裂分析及优化∗
FRACTUREANALYSISANDOPTIMIZATIONOFLIFTING
LUGOFMETROAXLEBOX
姬芳芳∗∗1ꎬ2
㊀刘东亮3㊀㊀李志永3
(1.唐山师范学院ꎬ唐山063000)(2.全州大学ꎬ全州55060)
(3.中车唐山机车车辆有限公司ꎬ唐山064000)JIFangFang1㊀
LIUDongLiang2㊀
LIZhiYong2
(1.TangshanNormalUniversityꎬTangshan063000ꎬChina)
(2.JeonjuUniversityꎬJeonju55060ꎬKorea)
(3.CRRCTangshanCo.ꎬLtd.ꎬTangshan064000ꎬChina)
摘要㊀地铁车辆的安全性是车辆设计中考虑的重要要素之一ꎮ轴箱吊耳在对整车进行起吊作业时与构架限位止挡配合ꎬ完成转向架起吊功能ꎮ在车辆运营过程中ꎬ吊耳断裂会对车辆运营的安全性造成影响ꎮ首先分析了吊耳的失效类型ꎬ依据车辆设计标准对吊耳结构进行有限元仿真计算ꎬ其结果显示吊耳结构满足静强度和疲劳强度设计要求ꎮ为进一步分析吊耳疲劳断裂原因ꎬ根据静强度结果和疲劳破坏位置ꎬ确定电阻应变计位置ꎬ并对吊耳结构受力情况进行线路实验ꎬ通过实验结果分析得到吊耳发生疲劳断裂的主要原因是共振ꎮ最后从结构和材料两方面对吊耳优化ꎬ有限元分析和实验结果显示方案一为最优方案ꎮ
关键词㊀吊耳㊀断裂㊀疲劳㊀损伤中图分类号㊀TH131 3
Abstract㊀Subwaysafetyisoneoftheimportantpartinvehicledesign.Whenliftingthewholevehicleꎬtheaxleboxlifting
lugcooperatescompletetheliftingfunctionofthebogiewiththeframelimitstop.Duringvehicleoperationꎬthefractureofliftinglugwillaffectthesafetyofvehicleoperation.Firstlyꎬthefailuretypes
oftheliftinglugareanalyzedꎬandthefiniteelementsimulationcalculationoftheliftinglugstructureiscarriedoutaccordingtothevehicledesignstandard.Itisobtainedthattheliftinglugstructuremeetsthedesignrequirementsofstaticstrengthandfatiguestrength.Inordertofurtheranalyzethecauseoffatiguefractureoftheliftinglugꎬthepositionoftheresistancestraingaugeisdeterminedaccordingtothestaticstrengthresultsandfatiguefailurepositionꎬandtheon ̄lineexperimentiscarriedoutonthestressconditionoftheliftinglugstructure.Through
theanalysisoftheexperimentalresultsꎬitisconcludedthatthemaincauseoffatiguefractureoftheliftinglugisresonance.Finallyꎬtheliftinglugisoptimizedfromthetwoaspectsofstructureandmaterial.Thefiniteelementanalysisandexperimental
resultsshowthatscheme1isthebestscheme.
Keywords㊀LiftinglugꎻCrackꎻFatigueꎻDamage
Correspondingauthor:JIFangFangꎬE ̄mail:154787524@qq.comManuscriptreceived20211205ꎬinrevisedform20220110.
㊀㊀引言
㊀㊀地铁作为城市中有效缓解地面交通压力的重要交通方式ꎬ在人们日常生活中起着非常重要的作用ꎮ地铁车辆的安全性关系人民生命和财产安全ꎬ是车辆设计中考虑的重要要素之一ꎮ轴箱吊耳(见图1)作为车
辆轴箱的附件ꎬ其作用是在对整车进行起吊作业时与构架限位止挡配合ꎬ完成转向架起吊功能ꎬ在车辆正常运行时仅承受轴箱传递的振动引起的载荷作用ꎮ在地铁运营过程中发现ꎬ振动载荷的循环作用常引起吊耳的断裂[1 ̄3]ꎬ一旦吊耳完全断裂掉落轨道ꎬ将造成严重的安全隐患ꎮ
㊀462㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2022年
图1㊀地铁轴箱吊耳及断裂故障图
Fig.1㊀Fracturefaultdiagramofliftinglugofmetroaxlebox
本文通过对断口形貌分析确定吊耳为疲劳断裂ꎬ根据OREB12/RP17(82)提供的Goodman ̄smith钢材疲劳极限图ꎬ利用有限元分析方法对吊耳进行强度和模态分析ꎬ并依据有限元计算结果和断裂位置ꎬ对吊耳进行了线路动应力测试ꎬ得到吊耳发生疲劳断裂的原因ꎮ最后提出三种吊耳结构优化方案ꎬ根据有限元分析和线路实验结果确定优化方案ꎮ
1㊀吊耳结构形式及失效类型分析
1 1㊀吊耳结构形式
㊀㊀吊耳通过螺栓安装于轴箱端盖ꎬ其安装布置图及结构如图2所示ꎬ本结构采用18mm厚钢板Q235B机
加工制作
图2㊀转向架吊耳布置图及结构图
Fig.2㊀Layoutandstructuredrawingofbogieliftinglug
1 2㊀失效类型分析
㊀㊀为获取吊耳断裂失效的更多信息ꎬ分别对两种断裂方式的吊耳进行断口形貌分析ꎮ图3中吊耳断口表面存在明显锈蚀痕迹ꎬ局部可观察到疲劳贝纹线特征ꎬ贝纹线呈 纺锤形 ꎬ断面两侧边缘靠近吊耳与吊环的过渡圆角区域存在多条台阶状条纹ꎬ两侧台阶状条纹向断口中心发展ꎬ在断口中心交汇形成一条平行于轴线的 脊 状形貌区ꎬ由此判断ꎬ断裂起始于两侧吊耳与吊环的过渡圆角表面ꎬ分别向板材心部扩展ꎬ在板材心部交汇形成 脊 状形貌区ꎬ 脊 状形貌区为最终断裂区域
图3㊀吊耳断裂(一)
Fig.3㊀Fracturediagramofliftinglug(one)
图4中整个断面均较平滑ꎬ断面2/3面积区域较平齐ꎬ另一侧1/3面积区域存在起伏ꎬ由此判断ꎬ吊耳在车辆运行过程中承受横向加速度引起的载荷作用下ꎬ从吊耳一侧起裂ꎬ裂纹不断扩展导致最终结构厚度方向完全断裂
图4㊀吊耳断裂(二)
Fig.4㊀Fracturediagramofliftinglug(two)
从两种断裂断口相貌分析可知ꎬ图3中吊耳断裂具有双向多源高周低应力疲劳断裂特征ꎬ裂纹源位于吊耳两侧面ꎻ图4吊耳的断口挤压磨损严重ꎬ疲劳断裂的特征已缺失ꎬ裂纹源位于吊耳的侧面[4 ̄7]ꎮ
2㊀吊耳有限元分析
㊀㊀为校核吊耳在标准规定的加速度载荷作用下的强度ꎬ对吊耳进行了静强度和疲劳强度分析ꎮ
铅酸蓄电池组装
2 1㊀评价方法
㊀㊀根据OREB12/RP17(82)提供的Goodman ̄smith
钢材疲劳极限图ꎬ对结构进行疲劳强度评估ꎬ并且根据结构所用材料的不同采用不同的疲劳极限图ꎬ对于抗
㊀第44卷第2期姬芳芳等:地铁车辆轴箱吊耳断裂分析及优化463㊀㊀
拉强度为370MPa~500MPa的Q235B应采用抗拉强度ȡ370MPa的疲劳极限图ꎬ如图5所示ꎮ
由OREB12/RP17和结构疲劳的相关文献可知ꎬ结构产生疲劳裂纹的方向与最大主应力方向相
互垂直ꎬ根据疲劳破坏的这个显著特点ꎬ将三向应力状态转化为单向应力状态ꎬ计算应力循环的平均应力和应力幅值ꎬ根据修正Goodman曲线进行结构疲劳强度评定
图5㊀疲劳极限图Fig.5㊀Fatiguelimitdiagram
合欢椅
根据OREB12/RP17报告给出一种多轴应力状态  单向应力状态转换方法ꎬ该方法的合理性已被证实ꎮ其将多轴应力状态向单轴应力转化的具体方法为:(1)确定结构在不同载荷工况下的主应力值和方向ꎻ
(2)取所有载荷工况作用下结构的最大主应力方
向为基本应力分布方向ꎬ其值为计算最大主应力σmaxꎬ计算其与结构基准线(或计算模型整体坐标系的坐标轴线)的夹角αꎬ如图6a所示ꎻ
(3)将在其他载荷工况作用下的主应力投影到已
确定的最大主应力方向上ꎬ其投影值最小的应力值确定为最小主应力σminꎬ如图6b所示ꎮ
图6㊀最大和最小主应力的位置Fig.6㊀Thepositionofσmaxandσmin
根据式(1)~式(3)ꎬ由最大和最小主应力值计算平均应力σm和应力幅σa或应力比Rꎬ完成了多轴应力状态向单轴应力状态的转化
σm=σmax+σmin2
(1)σa=
σmax
-σmin
平板电视支架2
(2)R=
σmin
σmax
(3)
㊀㊀(4)根据上式计算得出的平均应力σm和应力幅σa或应力比Rꎬ由修正的Goodman疲劳曲线确定相应的许用应力ꎬ根据计算疲劳应力值和许用疲劳应力值对结构的疲劳进行评价ꎮ
2 2㊀有限元模型及工作情况㊀㊀在计算过程中ꎬ结构的有限元网格质量直接影响计算精度ꎮ同时ꎬ为保证小倒角变截面区域的计算精度ꎬ吊耳的有限元模型采用十节点全四面体实体单元进行简化ꎮ为了更好的模拟实际情况ꎬ对吊耳的安装环境  轴箱端盖也进行建模简化ꎬ同样采用十节点全四面体单元简化ꎮ连接螺栓采用梁单元和刚性元模拟ꎮ吊耳的有限元模型如图
7ꎮ
图7㊀吊耳的有限元模型Fig.7㊀Finiteelementmodelofliftinglug
依据EN13749«铁路应用轮对和转向架规定转向架构架结构要求的方法»标准ꎬ吊耳加速度载荷如表1ꎬ考虑线路实际运行过程中线路激励的复杂性ꎬ需对各方向的加速度进行组合ꎬ得到吊耳的静强度和疲劳强度计算工况分别见表2和表3ꎮ
表1㊀吊耳的加速度载荷列表Tab.1㊀Accelerationloadlistofliftinglug
方向Direction特殊加速度Specialacceleration
疲劳加速度Fatigueacceleration
垂向Vertical
ʃ70gʃ25g横向Transverseʃ10gʃ5g纵向Portrait
ʃ10g
ʃ5g
㊀㊀注:加速度(g=9 81m/s2)ꎬ以上载荷在计算过程中需同时考虑自
重引起的惯性载荷的影响ꎮNote:Acceleration(g=9 81m/s2)ꎬtheinfluenceofinertialloadcausedbyselfweightshallbeconsideredduringcalculation.
㊀464㊀
机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2022年㊀
表2㊀吊耳的静强度组合工况
Tab.2㊀Staticstrengthcombinationconditionofliftinglug工况
Workingcondition
纵向Portrait横向Transverse垂向VerticalTC0110g
10g71gTC0210g-10g71gTC03-10g10g71g
TC04-10g-10g71gTC0510g10g-69gTC0610g-10g-69gTC07-10g10g-69gTC08
-10g-10g
-69g表3㊀吊耳的疲劳强度组合工况
Tab.3㊀Fatiguestrengthcombinationconditionofliftinglug工况
Workingcondition
纵向Portrait横向Transverse
垂向VerticalLC015g-1gLC02-5g-1gLC03-5g1gLC04--5g1g
校正死亡率LC05--26gLC06-
--24gLC075g5g26gLC085g-5g26gLC09-5g5g26g
LC10-5g-5g26gLC115g5g-24gLC125g-5g-24gLC13-5g5g-24gLC14
-5g-5g
-24g2 3㊀结果分析
㊀㊀经有限元计算ꎬ吊耳的各种静强度组合工况中最大应力为9 609MPaꎬ出现在根部内圆弧处ꎬ远小于吊耳的屈服强度极限(225MPa)ꎬ如图8aꎻ疲劳强度计算结果显示吊耳疲劳载荷全部落入Goodman疲劳极限内ꎬ且疲劳强度裕量非常大ꎬ如图8bꎻ吊耳的模态分析结果表明一阶振动模态为横向弯曲模态271 2Hzꎬ如图8cꎮ2 4㊀吊耳线路动强度测试结果分析
㊀㊀为验证吊耳在车辆运营过程中的实际受力状态ꎬ并进一步分析其疲劳断裂的原因ꎬ为吊耳结构的优化提供数据支撑ꎬ对吊耳进行了线路动应力测试ꎬ依据有限元计算结果和断裂位置ꎬ在对应位置粘贴电阻应变计ꎬ测试车辆上下行运营过程中测点受力状态ꎬ数据采集频率为2000Hzꎬ如图9aꎮ通过对吊耳实际运营状态受力测试结果(载荷最大测点)分析ꎬ发现吊耳上测点的应力状态远比计算结果恶劣ꎬ如图9bꎮ测点的频谱图显示吊耳最大振动主频为269 2Hzꎬ如图9cꎬ该主频与吊耳的一阶横向弯曲模态非常接近ꎬ导致吊耳在车辆运行过程中发生了共振ꎬ振幅增加致使测点应力增大ꎮ
同时ꎬ由于吊耳受到的振动主要来自于车轮多边形㊁钢轨波磨ꎬ随车辆运营里程的增加ꎬ车轮和钢轨状态会持续恶化ꎬ从而引起传递到吊耳处的振动频率也会出现相应变化ꎬ在一个车轮璇轮周期或钢轨打磨周期内ꎬ吊耳受到的振动冲击频率很难避开吊耳自身的共振频率[8 ̄9]
图8㊀吊耳计算结果
Fig.8㊀Staticstrengthstressofliftinglug
3㊀结构优化结果分析
3 1㊀结构优化模型
㊀㊀为避免吊耳在运营过程中再次出现断裂情况ꎬ本文从结构㊁材质两个方面对吊耳结构进行优化ꎬ优化方案如表4ꎮ方案1采用25mm厚6082 ̄T6铝合金材质机加工而成ꎬ优化了断面形式ꎬ降低应力集中ꎬ外形上薄下厚ꎻ方案2采用16mm厚6082 ̄T6铝合金材质机
加工而成ꎬ优化了断面形式ꎬ降低应力集中ꎬ外形上下等厚ꎬ内环下方为圆弧ꎻ方案3采用16mm厚6082 ̄T6铝合金材质机加工而成ꎬ内环都为直边ꎮ
3 2㊀结果分析
㊀㊀利用有限元计算ꎬ获得三种方案的一阶振动频率分别为753 73Hz㊁476 33Hz㊁467 87Hzꎬ振动的振型及频率详见表5ꎮ
㊀第44卷第2期姬芳芳等:地铁车辆轴箱吊耳断裂分析及优化465㊀㊀
图9㊀吊耳实验结果
Fig.9㊀Testresultsofliftinglug
表4㊀结构优化模型及测点布置图
Tab.4㊀Optimizationmodelofliftinglugandlayoutofmeasuringpoints
方案1
Option1
陶瓷过滤器
方案2
Option2
方案3
医疗箱Option3
表5㊀三种结构方案共振频率
Tab.5㊀Resonantfrequencyofthreestructures
方案1
Option3
Option2方案3
Option1方案2
模型
Model
一阶模态
Firstorderfrequency/Hz753 73476 33467 87

本文发布于:2024-09-21 18:34:13,感谢您对本站的认可!

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