基于有限元法的摇枕疲劳强度分析

划分 ， 用 Ａ Ｙ 有 限元 分析软 件 ， 利 ＮＳ Ｓ 分别计算 了典型裁荷 工况 下的摇枕应 力分布 ， 而确 定 了 从 摇枕 的疲 劳薄弱部位 并
进 行 了局部优化 ， 据 Ａ Ｉ 准 ， 根 ＡＫ标 评价 了摇枕 的疲劳强度 ， 对摇枕进行 了寿命计算分析。 关键词 ： 摇枕 ； 劳强度 ； 劳薄弱部位 ； 疲 疲 寿命
（ 力 单 位 ： ａ） 应 ＭＰ
应力及疲劳损伤 （ ） ｍ， 计算结果 载荷工况 下表面 中央 下表面漏砂孔 下表面端部拐角 应 力 损伤 应 力 损伤 心 盘单独受载循环（ ） ０万次 Ｑ５ 单侧 旁承受载循环∞ ２ 万次 ５ １ ８ ００ ２ ３１ ０ ９ ９ ． ．５ ２ ． ４ ． Ｏ Ｏ０ ．１ ０ ０ ２ ． ０７ ｌ． ８７ ０ ０ 应力 ９． ９３ ｌ４２ ２． ５． ５９ ０ 搠伤 Ｏ Ｏ Ｏ
图 ２ 摇 枕 加 载 模 型 示 意 图
１ 摇 枕的疲 劳强度计算
１１ 单元 离散 化 ．
通 过 Ｓｌ ｒｓ ｏｄＷｏｋ 建立摇 枕 模 型 。把 建好 的模 型 ｉ 导入 Ｈ ｐｒ ｅ ｙｅ Ｍ ｓ ｈ软件划分 网格 ，有限元 的单元类型 选用四面体四节点单元 Ｓｌ 。根据摇枕模型的尺 ｏｄ ５ ｉ４ 寸 ， 合考虑计算量和准确性 ， 综 网格 划 分 时 ， 元 尺 单 寸取为 １ ｍ 。 ５ ｍ 离散后可得单元数为 ３ ９ 个 ， ５ ２ 节点 ７ 数为 １ ２个 。弹性 约束采用 Ｃｍ ｉｌ ， 中弹簧 ０９ ８ ｏ ｂｎ４ 其 元 的单 元 数为 ４ ０个 ， 图 １ 示 。 如 所
表 ３ Ａ Ｒ载荷谱下摇 枕的疲劳 寿命 Ａ
疲劳降低 系数 （ 母）
１５ ． ２０ ． ２５ ． ３Ｏ ．
枕 的疲 劳 寿命变 化逐 渐变 慢 。
总损伤值 （ 谱长 １ ． ｋ ７万 ｍ）
Ｏ０ １８ ８ ．０ ９ Ｏｏ ７ ２ ５ ．ｏ ８ Ｏ０ １３ ７ ．２ ６ Ｏ０ ０Ｏｌ ．６ ｌ
１ ７
Ｅ ｕ ｐ ｎ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｎｏ７， ０１ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｎ ｆｃ ｒ ｇＴ ｃ ｎ ｌｇ ． ２ ｉ ２
图 ４为摇枕在单侧旁承受载下 的第一主应力 云 分析。疲劳试验载荷与评定考核标准为 １０万次载 ０ 图。 大应力值位置为摇枕的下表面端部拐角 ， 最 应力 荷循环的疲 劳累计损伤值小于 １下面为疲劳试验载 ， 值为 １６ ６ Ｐ ，摇枕在两侧旁承受载下的第一 主 荷 工况 ： ８． ａ ２Ｍ 应 力 云 图 ，最 大应 力 值 位置 为 摇 枕 的下表 面 端部 拐 （） １ 心盘单独受载循环不低于 ５ 万次 ； ０ 角， 应力值为 ８ ． Ｐ 。 ３ ２Ｍ ａ ９ （） ２ 单侧旁承受载循环不低于 ２ 万次 ； ５
主 ， 缩 平 均 应 力 作 用 时 ，一 曲线 上移 ， 压 ＪⅣ ｓ 同样 应 力 幅作 用 下 寿命增 大 ［ ２ １ 。应重 点考 虑摇 枕 的下表 面 。 本 文 通 过 有 限元 分 析 计 算 的结 果 找 到摇 枕 上 ３ 个 最 薄弱 的点 ， 别 为下 表 面 中央 部位 ， 表 面漏 砂 ３ 摇枕的寿命估算 分 下 孔 部位 ， 表 面端 部拐 角部 位 。 下
两侧 旁承受载循环（ － ） ５万次 ９ Ｚ Ｚ’ ２ ． ４ 累积 损伤 ∑（ ｌ ） ｎ 计算结果

００ ． ５
Ｏ ｍ
寿命要求 ， 那么整个摇枕就满足寿命要求 ， 因此 ， 该
根 据 美 国 Ａ Ｒ机 务 标 准 中 Ｍ一 ０— ５ “ 钢 转 部位的寿命就代表 了整个摇枕的疲劳寿命 。 Ａ ２２０ 铸 表３ 和图 ５ 为摇枕在不同疲劳 降低 系数下的疲 向架 摇 枕设 计 和 试验 规 范 ”１ 摇 枕进 行 疲 劳强 度 ［ ３ ，对
图 ４ 摇 枕 在 单 侧 旁 承 受 载 作 用 下 的 第 一 主应 力 图
情 况 下 ， 枕 的应 力 比较 大 ， 伤 也 不是 特别 大 ； 摇 损 在 高抗 疲劳 强度 ；
旁承均布受载的情况下 ， 摇枕的受力 比较小 ， 因此损 （） ４ 通过优化与其他构件 的配合情况 ， 来改变摇 伤也 不 明显 。 枕的边界条件和载荷状况 ； 此外 ， 枕 上表 面 以受压 为 主 ， 摇 下表 面 以受拉 为 （） ５ 通过加工硬化或热处理 ， 使下表面漏沙孑处 Ｌ
（） ３ 两侧旁承受载循环不低于 ２ 万次 。 ５
由表 １ 以看 出 ， 可 在正常铸造质量水平 下（ ＝ １ ）总的载荷循环 数为 １０万 次时 ， 枕各 部位 的疲 ．， ５ ０ 摇
劳累积损伤值均小于 Ｉ ，也就说明通过 １０ ０ 万次 的载 荷循环后 ， 该摇枕没有发生疲劳破坏 ， 符合强度标准。 ２４ 改进措 施 ．
中图分 类号 ： ２ ０３ Ｕ ７ ．３ 文献标识 码： Ａ 文章编号 ：６ ２ ５ ５ （ ０ ２）７ ０ １ － ３ １７ —４ Ｘ ２ １ ０－ ０ ７ ０
从 ２ ０ 年开始 ，我 国铁路货 车运输全面提速 ， ０６ 而且载重能力也大 幅增加 ，因此对铁路列车安全性 的要求越来越高 。摇枕是货车转向架三大件结构之 是重要的承载部件 ， 是车辆车体和转 向架构架之 间的连接装置 ， 主要承受和传递交变的垂 向力 、 向 横 力 和 纵 向力 ， 转 向架 摇 枕 的疲 劳 强 度 ， 铁道 机 车 故 对 车辆运行 的安全性 、 可靠性和经济性至关重要 。 在 车辆 运 用 中 ， 枕 的运 营 工况 非 常 恶 劣 ， 摇 这样 会 导致 摇枕 萌 生裂纹 和裂 纹扩 展 ， 而线 路运 行 时 出现 的各 种 异 常情 况 ， 剧 了裂纹 的产 生 和扩 展 ， 终会 加 最 引起疲 劳破 坏 ， 会对 行车 安全构 成严 重威 胁 。 因此 ， 对 转 向架 摇枕 的疲 劳 问题进 行研究 具 有重要 意义 。
《 装备制造技术｝ｏ２ ２ １ 年第 ７ 期
基于有 限元法的摇枕疲劳 强度分析
夏祥春 １ Ｉ
（． １河南理工大学 机械与动力工程学院， 河南 焦作 ４４ ０ ；． ５ ００ ２永城职业学院， 河南 永城 ４ ６０ ） ７６ ０
摘 要： 以货车转 Ｋ ６型转 向架摇枕 为研 究对 象， 建立 了摇枕 的三维几何模 型 ， 用 ＨｙｅＭｅｈ软件对摇枕 进行 了网格 采 ｐｒ ｓ
１ ８
《 装备制造技术｝０ ２ ２ １ 年第 ７ 期
劳寿命 。
当疲劳降低系数较小 的时候 ， 摇枕 的寿命较大。随着 的增大 ， 摇枕疲劳寿命逐渐减小 。在 巧 ＝ ．— ． １ ２ ５ ０
注 ：疲劳降低系数 ＝１ ～ ．代表了铸造件 ． ２ ５ ０
随着 的降低 ， 的疲劳寿命 急剧下降 ； 摇枕 的正 常品质水平 ，该水平 的铸造缺 陷是最常见的缺 区段时 ， 在疲劳降低系数大于 ２ 时 ， ． ０ 随着 的继续增大 ， 摇 陷形 式 ［ ４ 】 。
产生残余压应力 ，残余压应力的引人会提高抗疲 劳
强度。
依据 Ａ Ｒ标准 的脉 动循 环应力 一寿命 曲线 和 Ａ 表 ２列 出 了美 国 Ａ Ｒ机 务 标准 中 ９ ．ｔ 车重 Ａ ０７ 敞 最大主应力考核准则 ， 求得各载荷工况下 的损伤 ， 再 空 车载荷 谱 的 记录里 程 。依 据美 国 Ａ Ｒ货 车疲 劳设 Ａ 利用 Ｍ ｎｒ ｉ 线性 累积损伤理论 ， ｅ 求得摇枕各疲劳薄弱 计标准 中的载荷谱 ， Ｂ 级铸钢在不同疲劳强度系 以 ＋ 部位 的总损伤 ， 计算结果及各薄弱点在各工况下 的 数下的 ｓＪ 曲线作为基本 ｓ Ⅳ曲线 ，结合有 限元分 —ｒ ７ 、 一 应 力值 如 表 １ 所示 。 析计算得到的摇枕疲劳薄弱部位 ， 最后利用 Ｍ ｎｒ ｉ 线 ｅ 性 累积损 伤 理论对摇 枕 的疲 劳寿命 进行 估 算 。 表 １ 疲 劳试验载 荷下疲劳薄 弱部位损伤计算结果
１ ． ７ Ｉ １３ ． １ １ ． ２ １ １２ ．
表 ２ 载 荷谱 记 录 里 程 （ 位 ： ｋ ） 单 万 ｍ
由表 １ 知 ，摇枕 疲 劳最 薄 弱 部 位在 下 表 面 的 可 漏 砂 孔处 ， 部位 损 伤最 严 重 ， 该 只要 该 部 位达 到 疲 劳
图 １ 摇枕离散 网格模型 图
１２ 载荷 工况 及 边界 条件 ．
在摇枕的实 际运行中，摇枕承受 的载荷较为复
收 稿 日期 ：０ ２ ０ — ５ ２ １— ４ ０
图 ３ 摇枕在心盘单独受载作用下的第一主应力云图
作者简 介 ： 夏祥春 （９ １ ） 男 ， １ ８一 ， 河南永城市人 ， 助教 ， 工程 硕士学位 ， 研究方 向为机械设计与制造。
其 中载荷 Ｐ等于转 向架轴重与轴数的乘 积减去 转向架 自重 ， 为一个转向架承受的垂向静载荷［ １ ］ 。 Ｐ＝ ２ （ Ｇ—ｕ） （ ×２ ０ ｇ＝ ２ ７０ ０—５０ ０ × ９８ ０ ） ． ４ ００ ０Ｎ ８ ０ （） １ 式 中， Ｇ为转 向架轴的净质量 ， ２ 为 ７； ｔ 日为转向架的 自身净质量 ， ５ ０ ｇ 为 ０ｋ 。 ０ １３ 有 限元应 力计 算 结果及 疲 劳强 度 评定 ． 利用 Ａ Ｓ Ｓ软件对摇枕进行有 限元静态分析 。 ＮＹ 图３ 为摇枕在心盘单独载荷作用下 的第一 主应力云 图。最大应力值位置为摇枕 的下表面 中央和漏砂孔 ， 应 力值 为 ２３１ ａ ２ ． ＭＰ 。 ４
小应 集中系数 ， 降低应力集中程度 ； （ ） 善下 表 面漏沙 孑处 的表面 粗糙 度 ， ２改 Ｌ 以降 低 分析上图可知 ， 心盘在单独受载的情况下 ， 应力 疲 劳强度 ； 最大 ， 对摇枕造成的损伤最严重 ； 在单侧旁承受载 的 （ ） 大部 件在 下表 面漏 沙孔 处 的厚 度 ， 而 提 ３增 进
由表 ３可 以看 出 ， 劳 降低 系数 为 ２ 疲 ． ， 到 ０时 得 即为 ２ ８万 ｋ ２ ｍ。当按照 规 范 中规 定 的空 车与 重车 的 薄弱部位（ 下表面漏砂孔处 ） 进行了寿命评估 ， 其寿命 运行里程 比 ０ ５ ． 计算 ，得到重车情况下摇枕的寿命 为 ７ ９ ６—２８万 ｋ ２ ｍ。如果 按 照重 车每 年运 行 １ ５万 ｋ ｍ
摇枕 疲 劳最 薄弱 部 位 ， 在下 表 面 的漏 砂 孔 处 ， 该
部位损伤最严重应力较大 ， 需要进行改进设计 ， 以延
长摇枕的运用寿命 。通过 以下方法 ， 来改善下表面漏
沙孑 处 的应 力状 ： Ｌ 和疲劳 强度 ：
（ ） 大下 表面 漏沙 孔处 内圆角 的半 径 ， 而减 １增 从
寿命 Ｎ （ ｋ 万 ｍ）
８９ ３ ２８ ２ ７ ６ ２ ７
４ 结束语
对 摇枕 的疲 劳强 度 评价 结 果 显 示 ，在 正 常 铸 造
品质情况下 ，摇枕各部位的疲劳累积损伤均小于 ｌ ，
即摇枕的疲劳强度符合设计规范的要求 。 摇 枕 的疲 劳 寿命 为 ２ ８万 ｋ 该 疲 劳 降低 系 数代 表 ２ ｍ， 依据 Ａ Ｒ标准 中的载荷谱 ，在相应的疲劳降低 Ａ 了摇枕 的正常品质水平 ， 因此 ， 我们摇枕的疲劳寿命 系数下 ， 运用 Ｍ ｎｒ ｉ 线性累积损伤法则对摇枕最疲劳 ｅ
一
杂 。本文 按 照摇枕 的实 际受 载 情况 ， 在摇 枕 的两 端侧 的６ 个弹簧支撑上分别施加横 向、垂 向和纵向弹性
，
约束 。分别计算 了摇枕在心盘单独受载（ ）单侧旁 Ｑ， 承受载（ ） ｚ 及两侧旁承受载（ ） ３ ｚ 这 种工况下的 摇枕应力分布。图 ２ 为摇枕加载模型示意图。