膨胀反应《装备制造技术》2021年第3期基于BS7608标准转向架构架疲劳强度评估 黄晓青，吴才香，刘余龙，陈姝枚
(中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲412001)
摘要：为了有效地预测转向架构架的疲劳强度，基于E N13749和BS7608标准，采用构架疲劳试验谱栽荷的疲劳疲劳强度预测方法评估构架疲劳强度。应用雨流计数法将E N13749中规定的疲劳试验谱载荷分级，并用有限元法求得构架 每级栽荷作用下的应力分布，以B S7608钢结构耐久性设计规范提供的焊接接头S-N曲线为依据，计算构架在谱栽荷作 用下的累计损伤，完成转向架构架的疲劳强度评估。 关键词：构架疲劳强度；BS7608；雨流计教法;S-N曲线；累积损伤
中图分类号：U270.2 文献标识码：A文章编号：1672-545X(2021 )03-0113-03
〇引言
构架是转向架最为重要的承载部件之一，是电 机、齿轮箱和制动器等重要部件的安装基础/故转向 架构架的疲劳强度或寿命决定着转向架运行的安全 性和可靠性。随着轨道交通车辆高速化发展，转向架 构架大部分的破坏不是静强度破坏，而是由于交变 载荷的反复作用造成的疲劳破坏。故以传统的静强 度理论
为基础，评定转向架构架的疲劳强度的方法 存在不足。因此构架的耐久性评估和有限寿命设计 越来越受到重视。
BS7608标准是英国《钢结构疲劳设计和评定实 用规程》，该标准将焊接结构细节分为10个等级，50 多种具体的接头形式，并给出了相应的S-N曲线。S- N曲线不仅考虑了焊接接头应力集中、尺寸与形状的 不连续性，还考虑了应力方向、残余应力、焊接工艺 和焊后处理工艺对焊缝疲劳强度的影响。
不同于以传统的静强度理论为基础的构架疲劳 强度计算，本文以BS7608钢结构耐久性设计规范提 供的焊接接头S-N曲线为依据，计算构架在谱载荷 作用下的累计损伤，完成转向架构架的疲劳强度评 估。
1基于BS7608疲劳强度评估流程
受力部件可能包含多个疲劳裂纹萌生位置，其 中承受较高应力波动的区域或存在较大应力集中的 位置应重点关注。BS7608关于结构细节的耐久性评估流程如下：
(1)依据E N13749建立构架疲劳试验载荷谱，进 行构架的有限元仿真分析；
(2) 根据BS7608中表1至表10关于结构细节的 分类，划分构架母材和焊缝的结构细节；
(3) 根据结构细节的类型，建立结构细节的基本 设计曲线；
(4) 根据有限元模型计算结果获取结构细节的应 力变化范围；
(5) 根据结构细节应力变化范围和基本设计反- /V曲线确定允许的载荷循环次数；
(6) 根据吣11(；1'-?3“81^11疲劳线性累积损伤理 论计算转向架构架结构细节的总损伤。
其中,n，为应力变化范围在应力谱中出现的循环
次数，i为载荷谱的载荷级数。
2构架疲劳试验载荷
以某型工程车转向架构架主体疲劳强度计算为
例，结构如图I所示，依据E N13749标准-附录G.2,
转向架构架在运行过程中承受的载荷包括垂向载
荷、横向载荷和轨道扭曲。其中垂向载荷包括静载荷 = 105.46 k N、准静态载荷/；= 10.55 k N、和动态
载荷心=21.1 k N；横向载荷包括准静态载荷匕二
35.56 k N和动态载荷= 35.56 k N；轨道扭曲=
5%。为准静态载荷。在构架疲劳强度试验中，试验载
收稿日期：2020-丨2-04
作者简介：黄晓青（1991-)，男，福建建瓯人，研究生，助理T程师.研究方向：机械T.程。
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rype 1.4Type 4.3
.s ….草图描述
细节类型可能缺细节 陷位置说明
应力方向。
(4)若评估节点所施加的载荷方向超过垂直或 平行焊缝方向±15°，则应降低评估节点所属细节等 级；若载荷方向在评估节点法向±45°范围内作用，则 疲劳评估选取最大主应力变化范围，否则，应选取最 大法向应力的变化范围。
3.1.2焊缝失效焊缝位置应力变化范围的确定
角焊缝或部分焊透的焊接接头失效多出现在焊
喉处，其应力变化范围的确定分以下几种情形：
(1) 若在载荷循环过程中，评估节点的主应力方向在20°的范围内变化，则其应力变化范围应为最大 法向应力和最大剪切应力的矢量和与最小法向应力
和最小剪切应力的矢量和的矢量差；
(2) 若循环载荷包含一个以上载荷源，但载荷方向保持不变，则评估节点的合应力变化范围应为最
大载荷变化范围在焊缝处产生的应力；(3) 若循环载荷包含一个以上载荷源，且载荷方向变化超过20°，则评估节点的合应力变化范围应为
每种载荷源下评估节点应力变化范围的矢量差；(4) 若循环载荷的特性复杂，无法判断最大合应力变化范围由哪两种工况引起，则取评估节点在所 有载荷工况下垂直焊缝的最大正应力和最小 正应力垂直焊缝的最大切应力和最小切
应力T i l r i …以及平行焊缝的最大切应力和最小切 应力T ,/m …，并求得矢量差，如下式所示：
S w i — { ( 7 丄n a x — f *L m i n ) — + ( T 丄m a x — T 丄m i n ) + ( T 〃i n a x —
T //n ,J 2}0-5
(2)
3.2 Miner -Palmgren 累计损伤计算
根据BS 7608对典型的焊接接头进行疲劳评估, 对构架的结构细节进行分类，确定失效概率小于 2.5%的许用应力范围。3.2.1构架结构细节分类
日凌取构架侧梁上盖板焊缝及母材进行疲劳强度评 估，如图2所示。依据BS 7608关于结构细节的分类规
则，构架侧梁上盖板母材适用C 级，构架侧梁上盖板 与立板的焊缝适用F 级，细节选取说明如表1所示。表1 B S 7608结构细节w Equipment Manufacturing Technology No.3,2021
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荷划分为三个阶段，其中第一阶段试验载荷循环6 x 106次，第二阶段和第三阶段试验载荷循环2 x l O 6。 每个阶段的垂向动载荷和横向动载荷的循环次数相 等，且无相位差。在每级载荷循环过程中，纵向载荷 和轨道扭曲的循环次数为垂向动态载荷或横向动态 载荷循环次数的十分之一。
用雨流计数法对构架主体载荷循环过程计数，载 荷等级划分取决于垂向或横向准静态载荷的循环次 数。取准静态载荷的循环次数为动态载荷循环次数的 二十分之一，则构架的每级载荷循环分为七级1W|。
3疲劳强度评估
3.1应力变化范围确定
BS 7608关于焊接结构的疲劳分析流程基于以下
假设：循环应力的变化范围决定了受力构件的疲劳 寿命，平均应力不纳入考量。在大多数情况下，受力 构件的疲劳失效由正应力或法向应力引起，本文疲 劳评估采用名义主应力变化范围。
3.1.1母材失效母材位置应力变化范围的确定
大多数情况下，受力构件潜在的疲劳裂纹出现
在受应力集中影响的母材位置，比如焊趾。其应力变
化范围的确定分以下几种情况：
(1) 若在载荷循环过程中，评估节点的主应力方
向在20°的范围内变化，则最大应力变化范围为通过 评估节点的最大主应力变化范围；
(2) 若在载荷循环过程中，因两种载荷源存在相 位差，导致评估节点的主应力方向变化大于20°，则
应力变化范围应选取评估节点在载荷循环峰值和谷
值处对应主应力的代数差；
(3) 若循环载荷的特性复杂，无法判断最大主应
力变化范围由哪两种工况引起，则可取评估节点在 所有载荷工况下的最大主应力和最小主应力，并求 取最大主应力和最小主应力的代数差，且不考虑主
在凹他特 件焊 存、其续 构的件
件孔或连 力面附 构小角不征受表接
外
或缘 或 件缘边 趾缝部
板边内 焊焊端原曲正
板弯校类级
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《装备制造技术》2021年第3期
图2
节点位置
3.2.2累计损伤计算
在A N S Y S 中输出每组载荷下评估节点的应力 分量，根据BS 7608，对每类载荷工况分别进行疲劳
损 伤计算，根据Miner - Palmgren 疲劳线性累积损伤理 论计算转向架构架结构细节的总损伤，理论要求的 损伤总和小于1，则构架的耐久性满足要求。
根据以下关系式计算损伤％
S -g - = (n /107) x (Sr /S …c)m for Sr ^ S 〇c (3)
I N i
= («/107) x (Sr /Soc )"^2 for Sr < S()C (4)
火星500计划I N i 式中：…为计算载荷循环次数;&为评估节点的 应力范围；容许应力范围;m 为S -N 曲线的斜率。
评估节点的损伤结果如表2所示。
表2
构架评估节点累积损伤
节点编号评估节点位置
细节类型
损伤值17402F 0.66815317457F 0.53650917485蒯梁上盖板与立板焊缝位置(图2)
F 0.28145417887F 0.22951317897F 0.33746917967F 0.22163561855侧梁上盖板折弯位置（图2)C 0.23084361857
C
0.155228
4结束语
利用雨流计数法将E N 13749标准中规定的构
架疲劳试验载荷分级，用有限元方法计算构架的应 力分布，并按照BS 7608中规定的方法计算评估节点
的应力变化范围，结合细节分类计算评估节点的累 积损伤，表3的计算结果显示：评估节点的损伤值均 小于1，根据Miner - Palmgren 疲劳线性累积损伤理 论，评估节点的耐久性满足要求。
参考文献：m
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Evaluation of Fatigue Strength of Bogie Frame Based on BS7608 Standard
H U A N G Xiao -qing,WU Cai -xiang,LIU Y u -long,CHEN Shu-mei
(C R R C Zhuzhou Electric Locomotive Co ., Ltd ., Zhuzhou Hunan 412001, China )
dm365
Abstract ： In order t o effectively predict the fatigue strength of bogie frame , based on E N 13749 and BS 7608 stan
dards ,the fatigue strength prediction method of frame fatigue t e s t spectrum load i s adopted t o evaluate the fatigue strength of bogie frame . The fatigue t e s t spectrum load specified in E N 13749 i s classified by rain flow counting method , and the stress distribution of the frame under each level load i s obtained by f i n i t e element method . Based on the S-N curve of welded joint provided by BS 7608 steel structure durability design code , the cumulative damage of the frame under spectrum load i s calculated , and the fatigue strength evaluation of bogie frame i s completed .
云南仪表厂
Key words : fatigue strength of frame ; BS 7608; rain flow counting method ; S -N curve ; cumulative damage
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