铁道车辆LZ50车轴钢的概率机械性能_赵永翔

m m 光滑圆棒试样。单调拉伸试验在岛津材料试验 机上进行, 试验结果见表 2, 机械性能的均值、均方 差和变异系数见表 3。从表中可知, 所有指标都较好 地满足了要求; 值得注意的是, 屈服强度时的应变达 0. 37% 左右, 与常规屈服强度 0. 2% 的定 义相差较
1 材料与试验
远, 说明材料的延韧性较好, 同时也说明在结构强度 分析评价中, 应尽可能采用真实材料数据。
基础, 尽管结构设计分析中常常接触机械性能, 但从 轴 坯经 切割 成条 后加工 成图 1 所 示直 径 10
可靠性角度详细给予表征的报道尚很少见。同时, 铁 道车辆车轴材料的性能倍受世人关注[ 7, 8] , 目前, 对 L Z50 车轴钢尚无较为全面的力学性能研究。本文在 试验基础上, 研究该材料的机械性能及其概率表征 方法。
表 1 LZ50 车轴钢的化学成分 Tab. 1 Chemical composition of the LZ50 axl e steel / %
C Si M n Cr Ni Cu Al
P
S
概率机械性能是结构静强度可靠性设计分析的
0. 470 0. 260 0. 780 0. 020 0. 028 0. 150 0. 021 < 0. 014< 0. 007
333. 65
0. 384
634. 06
53. 960
334. 93
0. 3833
976. 20
43. 152 24. 62 42. 50
9 194. 75
329. 81
0. 392
621. 28
53. 772
331. 10
0. 3912
955. 35
43. 030 24. 04 40. 81
10 222. 16
336. 21
0. 376
636. 62
53. 288
337. 47
0. 3753
975. 86
42. 715 23. 62 40. 78
5 221. 16
331. 09
0. 352
625. 12
54. 204
332. 26
0. 3514
963. 96
43. 311 25. 68 41. 13
6 224. 11
理论与实践证明, 可靠性法是考虑各种不确定 性因素, 给出合理的应力或强度指标的有效方法。自 1947 年 Freudent hal 发表了世界上第一篇结构可靠
性分析文章后[ 1] , 结构静强度和无限寿命疲劳强度 度可靠性分析[ 2, 3] 、基于 P-S-N 曲线的有 限疲劳寿 命可靠性分析[ 3, 4] 和基于 P-da/ dN - K 曲线的概率
赵永翔1, 黄郁仲2, 高 庆2
( 1. 西南交通大学 机械工程研究所, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大学 应用力学与工程系, 四川 成都 610031)
摘 要: 完成了铁道车辆 L Z 50 车轴钢的概率机械性能试验研究, 拓宽了确定有限疲劳可靠性数据良 好假设分布的统一方法, 比较了 6 种常用分布( 即三参数 Weibull、两参数 W eibull 、正态、对数正态、 极大值和极小值分布) 对试验数据的描述效果, 综合分析了他们的拟合优度、失效机理的一致性和尾 部预测的安全性。从预测的安全性角度, 选择了极小值分布为最佳统计模型, 提出了给定可靠度和置 信度下基于极小值分布的机械性能参数估计方法, 并有效地估计了材料的概率机械性能参数。 关键词: 铁道车辆; 车轴; L Z50 钢; 机械性能; 可靠性; 对数正态分布 中图分类号: U260. 331. 1; T G113. 25; T B114. 3 文献标识码: A
表 2 LZ50 车轴钢的机械性能试验结果
图 1 单调拉伸试验试样 Fig. 1 T en sional specimen
Tab. 2 Test resul ts of the mechanical properties of LZ50 axl e steel
试样 弹性模量 名义屈服强度 名义屈服应变 名义强度极限 名义应变极限 真屈服强度 真屈服应变 真强度极限 真应变极限 延伸率 断面收缩率
333. 65
0. 360
628. 95
53. 598
334. 85
0. 3594
966. 05
42. 917 24. 54 43. 19
7 222. 16
325. 98
0. 352
623. 84
54. 186
327. 13
0. 3514
961. 87
43. 299 25. 38 40. 78
8 198. 92
弹性模量 名义屈服强度 名义屈服应变 名义强度极限 名义应变极限 真屈服强度 真屈服应变 真强度极限 真应变极限 延伸率 断面收缩率 参数
E/ GPa
S s/ MP a
es / %
Sb/ MP a
eb/ %
s/ M Pa
s/ %
b/ MPa
Abstract: Experim ent al st udy o n t he probabilistic m echanical pro pert ies w as perf orm ed o n t he L Z50 ax le steel for railw ay vehicles. T he unified approach f or det erm ining appropriate st at ist ical models of the l im ited f atig ue reliability dat a w as dev elo ped t o analy ze t he present t est dat a. T he six comm onl y used distr ibutions, nam ely t hree paramet er Weibull, t w o paramet er Weibull, no rmal, l ognorm al , ex t reme maxim um v alue, and ext reme minim um value, w ere com pared in fit s of t he data fro m t he t hr ee considerat ions o f goo dness-of -f it , consist ency of f ailure m echanism and saf et y in t ail reg io n predict ions. Fr om t he view point of safet y, the ex t reme minim um value distr ibution was selected as an opt im al model of t he dat a. A m et hod based on t his dist ribut ion w as pr opo sed fo r t he estim ation of mechanical propert ies under given rel iability and co nf idence lev els. T he method has been w ell used f or t he est imat ion of probabilistic paramet ers of t he mechanical pr opert ies o f the present mat er ial . 9 t abs, 2 figs, 20 refs. Key words: railw ay vehicle; ax le; LZ 50 st eel; m echanical pr opert ies; reliabilit y; log no rmal distr ibution Author resume: ZHAO Yong-x iang ( 1963-) , male, PhD, prof esso r, 86-28-87602465, yx zhao @ hom e. sw jt u. edu. cn
1 2 交 通 运 输 工 程 学 报 2003 年
损伤容限分析[ 5] 已较为成熟。然而, 包括静强度在内 的强度设计分析尚未纳入规范[ 6] 。尽管车辆结构服
现有的车轴材料中, L Z 50 钢具有更为严格的制造工 艺与材料化学成分要求。
役环境较为复杂, 但探索其可靠性分析或与可靠性 分析相结合的方法, 安全合理地进行结构设计分析, 是具有重要工程价值与理论意义的工作。
328. 49
0. 376
635. 35
50. 778
329. 73
0. 3753
957. 97
41. 064 23. 60 41. 81
3 216. 65
332. 37
0. 368
632. 79
52. 714
333. 59
0. 3673
966. 36
42. 340 23. 90 42. 16
4 191. 85
Probabilistic mechanical properties of LZ50 axle steel for railway vehicles
ZH A O Yong -x i ang1, H U A N G Y u-z hong2, GA O Qing2
( 1. Institute of M echanical Engineer ing , Southw est Jiaot ong U niver sity , Cheng du 610031, China; 2. Depar tment of A pplied M echanics and Engineer ing , Southw est Jiaot ong U niver sity , Cheng du 610031, China)
轴坯材料 L Z50 钢来自宝钢( 样品号 254-1) , 出 厂检验表明, 材料的点偏析、中心疏松、段疏松级别
分别为 0. 5、0. 5 和 1. 0, 无方偏析和枝晶现象; 氧化
物、硫化物和晶粒度分别为 0. 5、0. 5 和 7. 5 级。进一 步在重 庆达江信达锻 造厂经过 860℃、保温 2. 5 h 和 800 ℃ 、保 温 2. 5 h 的 两 次 正 火 处 理 , 以 及 570℃、保温 1. 5 h 的回火处理, 晶粒度达到 8 级。化 学成分如表 1 所示, 符合规范要求[ 9] 。相对来说, 在
328. 54
0. 360
623. 84
52. 912
329. 72
0. 3594
953. 93
42. 469 24. 92 43. 19
表 3 LZ50 车轴钢的机械性能的均值 X m、均方差 Sx 和变异系数 Vx Tab. 3 Average values X m, standard deviations Sx and vari ations coefficient Vx of the mechanical properties of LZ50 axl e steel
收稿日期: 2002-11-03 基金项目: 国家自然科学基金项目( 50075073) ; 全国优秀博士学位论文作者专项资金项目( 2002067) ; 铁道部科技研究开发计划项目( 2001J016) 作者简介: 赵永翔( 1963-) , 男, 四川金堂人, 教授, 博士, 从事机车车辆可靠性与安全性设计、评价和控制研究.
序号 E/ GPa
S s/ MP a
es / %
Sb/ MP a
eb/ %
s/ M Pa
s/ %
b/ MPaΒιβλιοθήκη Baidu
b/ MP a
/%
/%
1 209. 82
319. 58
0. 364
627. 71
54. 688
320. 74
0. 3633
970. 99
43. 624 23. 80 42. 84
2 195. 88
第 3 卷 第 2 期 2003 年 6 月
交通运输工程学报
Journal of T raffic and T ransportation Eng ineering
文章编号: 1671-1637( 2003) 02-0011-07
V ol. 3 No. 2 June 2003
铁道车辆 L Z50 车轴钢的概率机械性能