动车组车钩钩体材料Goodman-Smith曲线及疲劳应用分析.pdf

55计算机运用文章编号：10 0 7-6 0 34（2 0 2 3）0 4-0 0 55-0 3D0I:10.14032/j.issn.1007-6034.2023.04.015动车组车钩钩体材料Goodman-Smith曲线及疲劳应用分析马桃，殷杰，李家乐，张晋伟，吴刚,郑伟2（1.中车制动系统有限公司常州分公司，江苏常州2 130 0 0；2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛2 6 6 0 11)摘要：为研究重联状态下动车组车钩钩体的疲劳强度，建立了重联状态下的车钩钩体的有限元模型并通过试验验证了模型的准确性。绘制出钩体材料的修正Goodman-Smith曲线，统计列车在运行过程中受到的载荷谱，计算反复拉压产生的应力，结果位于Goodman曲线的封闭区域内，表明车钩钩体不会发生疲劳破坏。该方法验证了动车组车钩在运行过程中是可靠、稳定的。关键词：动车组车钩；Goodman一Smith曲线；疲劳寿命分析中图分类号：U264.3*5文献标识码：B0引言在动车组互联互通、重联运行的过程中，前端车钩会受到反复地拉伸、压缩和冲击载荷，其性能好坏直接影响到动车组运行的稳定性和安全性。在动车组车钩产品试验验证过程中，主要通过静强度试验或考虑材料对称循环强度下的疲劳强度试验，容易造成强度余量不足或过大。因此研究车钩的抗疲劳性能显得尤为重要目前铁路技术发达国家均已采用根据材料的Goodman疲劳曲线图设计或校核机车车辆承载结构的强度问题，能够保证承载结构在载荷循环下的强度安全性，也能够充分发挥材料的应用潜力，提高产品或零件的质量。因此开展疲劳极限图试验研究，绘制关键材料的疲劳极限图，对于产品的抗疲劳设计显得尤为重要 2 本文建立了重联状态下的车钩钩体模型，通过仿真分析与试验验证相结合，验证模型的准确性。通过雨流计数法筛选出车钩的载荷谱，计算车钩钩体在载荷谱作用下的应力，绘制得到车钩在运行过程中，应力在钩体材料Goodman-Smith曲线图中的分布位置，并对运营过程中的疲劳性能进行评估。本文探索了一种动车组车钩钩体材料的Goodman-Smith曲线的绘制和疲劳性能分析的方法。基金项目：中车科技研究开发项目（2 0 2 1CDB231）。收稿日期：2 0 2 2-0 3-16作者简介：马桃（198 9一），男，工程师，硕士。1研究分析1.1研究对象前端车钩位于动车组前端，作为连接车辆、传递车辆间纵向力、电气信号及缓和车辆间冲击载荷的核心部件，前端车钩的性能表现直接决定了列车运行的安全性和舒适性。在列车高速运行过程中，作为前端车钩的载体，钩体会遭受反复地拉伸、压缩和冲击载荷，长时间的运营对于其疲劳性能提出了很高的要求，呕需对其抗疲劳性能进行研究。重联状态下的前端车钩如图1所示。图1重联状态下的前端车钩1.2有限元分析建立重联状态下车钩的仿真分析有限元模型，在有限元软件ANSYS中导人重联状态下的车钩钩体的三维模型，去除对分析影响不大的倒角、小孔，采用HexD o m in a n t 划分方法，网格单元大小6mm，划分之后，有限元模型的节点数7 2 50 7 6，单元数2 16 18 6，建立的有限元模型如图2 所示。56机车车辆工艺第4期2 0 2 3年8 月计算机运用图2重联状态下的车钩钩体有限元模型车钩钩体材料为调质C级钢，力学性能参数如表1所示表1计调质C级钢的力学性能参数序号性能指标名称数值1屈服强度/MPa4152抗拉强度/MPa6203延伸率/%224断面收缩率/%455硬度/HBW179 241选用第四强度理论 31校核车钩钩体的静强度，该强度理论为：,(g,-0,)+(,-0,)+(g,-0,(1)式中：0，为计算应力，0 1、0 2、Q；为3个方向的主应力，】为材料的许用应力。计算车钩钩体在50kN、7 5k N、10 0 k N、12 5k N、150 k N等5个力值拉伸、压缩作用下的应力值。因篇幅限制，车钩载荷符合正态分布，因此仅列出车钩钩体在10 0 kN拉伸和压缩工况下的应力。其中，在拉伸工况下，应力最大位于安装中心销的孔内；在压缩工况下，应力最大位于连挂端面与凸锥凹槽连接处，如图3、图4所示A:Static StructuralEquivalent Stress2Type:Equivalent(von-Mises)StressUnit:MPaTime:2应力最大值2022/2/24.9:1286.427Max76.82467.22157.61948.01638.41328.81119.208Ma9.60530.0026312Min图3100kN拉伸工况下钩体的应力云图A:Static StructuralEquvalentStressType:Equivalent(von-Mises)StressUnic:MPa应力最大值Time:12022/2/24.9:1158.368Max51.88445438.91632.43225.9481946312.9796.49510.010959Min图4100kN压缩工况下钩体的应力云图1.3试验验证将重联状态下的CR400AF型动车组前端车钩安装在2 0 0 t疲劳试验台上进行10 0 次加载试验。施加仿真计算的力值，在仿真计算应力较大的位置粘贴应变片来获取试验值，仿真计算值和试验结果的对比如表2 所示，仿真计算值与试验结果的误差均小于10%，因此建立的仿真计算模型可以用于后续的疲劳应用分析，表2仿真计算和疲劳载荷试验对比分析表加载力值/仿真结果/试验结果/序号误差/%kNMPaMPa50（拉伸）45.2443.214.48150（压缩）30.2728.326.4475(拉伸）67.3265.123.27275(压缩）44.2941.985.22100（拉伸）86.4389.05-2.993100(压缩）58.3762.45-7.00125（拉伸）108.47104.323.834125（压缩）72.1570.232.66150(拉伸）133.23139.324.575150（压缩）85.3780.525.682曲线绘制方法修正的Goodman是指以屈服极限为限界、以Goodman提出的经验公式为基础，得到的一种简化的疲劳极限图。修正的Goodman曲线主要划分为Haigh图或者Smith图，Haigh图主要体现平均应力和应力幅的相对关系，如图5所示。Smith图体现的是平均应力与最大、最小应力之间的关系，如图6 所示，Smith图展现的Goodman曲线能够清晰展现平均应力对于疲劳极限的上、下限应力以及应力幅的影响。A6.1EOallCBDOall图5Goodman-Haigh图绘制图6 中Goodman-Smith图（4的方法如下：假定平均应力为横坐标数值，最大、最小应力maxCmin为纵坐标数值，在二维坐标系中构建点J（，Q），代表材料的强度极限，连接OJ,并往坐标系第三象限进行延伸，延伸至点G（-Q，-），57马桃，般动车组车钩钩体材料Goodman-Smith曲线及疲劳应用分析杰，李家乐，等OmaxOminB0.INAHDOmE-OsGFaCd图6Goodman-Smith图其中，代表材料的屈服极限；在第一象限中OJ直线上，标记点C（，），在纵坐标上标记点A（0,-1N）,E（O，-1N）,其中-In代表在给定的疲劳寿命N下对称循环疲劳强度。连接AJ、E J,过C点做横坐标的平行线交AJ于B，过B点作纵坐标的平行线交EJ于D，连接CD；过E点作GJ的平行线EF与过G点的平行于横坐标的GF交于F点，过A点做平行于GJ的线段AH与过F点平行于纵坐标的线段FH交于点H。连接线段GH、HA、A B、BC、CD、D E、E F、FG,形成封闭的区域GHABCDEF，该区域即为修正后的GoodmanSm i t h 疲劳极限图，在进行疲劳强度设计的过程中，疲劳应力范围落入该封闭区域内，即表示该工况下不会发生疲劳破坏，反之，会出现疲劳失效破坏的情况。通过Smith方式展示的Goodman图，可以得到不同应力等级下的材料失效方程，如表3所示，通过图6 和表3相结合，可以进行疲劳设计和应用研究。表3不同平均应力下材料的失效方程区域失效方程方程有效范围备注0max-20m0,-g,0m(a-1N-g,)60max=0m0-1N(0-1N=0,)0m00max-(1-1)amg-1N00mGS-INC1-rm-1NdOmax=o,1-63疲劳应用分析在车钩上粘贴应变片，测量车钩在动车组运行过程中受到的拉压力，通过记录车钩上各个测点的信号时间历程，采用雨流计数法统计计数之后，编制出车钩的16 级载荷谱。为降低单次统计的偶然性对于分析的影响，本文选用3个不同时间段测量计数的载荷谱进行分析。载荷谱见表4。表4测量计数的载荷谱谱级幅值/kN频次幅值/kN频次幅值/kN频次13.47278367.0719.3813.3524.97728.41177713.211.4248.061409313.3448919.3645912.77394418.2821225.5015217.48158523.229031.647922.1887628.154837.783126.8954733.093143.932831.6023838.032149.071436.3115942.961255.211241.0191047.901061.35945.72101152.84467.49650.4381257.77773.64455.1441362.71679.78259.8521467.65285.92264.5511572.59191.06169.2611677.52297.21173.971根据车钩钩体材料的强度极限、疲劳极限及对称循环下的疲劳极限绘制得到钩体材料的Goodman-Smith图，选择钩体拉伸压缩较大应力值处作为分析对象，计算应力较大位置在该载荷谱作用下的疲劳应力，并将该应力值置于GoodmanSmi t h 图中进行分析，具体如图7 所示。在图7 中可知，在运行过程中，车钩的疲劳应力范围落入该封闭区域内，且疲劳应力远小于Goodman一Smith图的边界，表明车钩钩体疲劳性能满足使用要求0mamim/MPa钩体Goodman-Smith图钩体疲劳应力400-200-0-400-200200400平均应力m/MPa-200-400图7车钩钩体Goodman-Smith图4丝结束语（1）本文建立了重联状态下的车钩钩体的有限元模型，通过仿真计算和试验验证，验证了建立模型的准确性，绘制了车钩钩体的GoodmanSm i t h 图，通过雨流计数法统计车钩在运行过程中的载荷谱，计算车钩钩体在载荷谱作用下的疲劳应力，并导入（下转第6 0 页）60上接第57 页）上接第54页）机车车辆工艺第4期2 0 2 3年8 月现场经验到）。若放电时间不小于5h，视为容量合格，然后进行补水、充电。最后静置1h。3.4.4蓄电池组充放电蓄电池组充放电需循环进行3次，每次充放电过程如下：设置充电机以32 A恒流充电8 h，充电上限电压17 1.6 V和容量30 0 Ah。每2 h抽查1节蓄电池电解液温度，若超过45，则强制通风降温。每2 h记录7 8 节蓄电池的单节电压，1 2 V为正常，更换电压异常的单节电池，静置1h。设置充电机以32 A恒流放电至7 8 V/组，放电时间5.5h和容量30 0 Ah。每2 h记录蓄电池单节电压值是否正常。该过程正常电压不小于1V（如果在第3次充放电过程的第4h，发现单节蓄电池电压小于1V，视为容量不合格，需更换该节蓄电池）。如果放电时间不小于5h，视为容量合格，静置1h后，进行下步操作。3.4.5蓄电池组上车前充电设置充电机以32 A恒流充电8 h，充电上限电压为17 1.6 V和容量30 0 Ah。每2 h抽检1节蓄电池电解液温度，若超过45，停止作业，强制通风降温。每2 h记录所有单节蓄电池电压，1 2 V为正参考文献：1 康伟，崔军胜，王绅宇，等，轨道交通车辆空调系统智能控制与大数据应用 J.城市轨道交通研究，2 0 2 0,2 3（4）：134-136.【2 惠正鹏基于计算机智能变频的中央空调节能改造与控制浅析J.电子世界，2 0 14（18）：196.3朱洪磊，邬春晖，李琦.地铁车辆智能变频空调全制冷季运行节能试验研究 J.电子质量，2 0 2 0（10）：8 5-90.4】崔军胜，王佳.城市轨道车辆定频空调机组与变频空调机组对比分析J.中国标准化,2 0 19（6）：2 12-2 14.5王钊，魏婉娜，陈亮.轨道车辆变频空调节能试验及舒适性研究.制冷与空调（四川），2 0 16,30（1）：9910 3.6陈萍，张永利，李超，青岛市轨道交通车辆采用变频空调满足节能舒适健康的应用研究J：城市轨道交通研究，2 0 17，2 0到钩体的Goodman-Smith图中进行比较分析，结果表明车钩钩体的疲劳性能满足使用要求。（2）该方法可以应用到其他工程机械的疲劳应用分析中，具有一定的理论指导意义，同时也对其他行业的金属部件、构件的选材，设计强度校核提供了技术依据。常。更换电压异常的单节蓄电池，静置16 h。3.4.6向蓄电池组返补电解液和补充纯水将抽出电解液按相同数量补充回对应蓄电池，补充纯水至蓄电池最高液位4丝结束语青岛地铁运营公司按照上述工艺方案对青岛地铁3号线2 4列地铁列车蓄电池组下地深度充放电，方便可行。通过该工艺方法能够准确快速挑栋出不合格的蓄电池单体进行更换，以及对电解液密度不合格的蓄电池更换电解液，使得蓄电池容量得到很好的恢复。目前采用该工艺方案恢复容量蓄电池已在正线运营2 年多时间，状态良好，未发生容量不足等相关故障。参考文献：【1代磊.地铁车辆蓄电池典型故障分析及优化整改措施J，轨道交通装备与技术，2 0 2 1（4）：41-43.【2】李爽，胡骁椅.武汉地铁8 号线蓄电池开路故障原因及解决对策J.技术应用,2 0 2 1（4)：7 5-7 6.3徐勇，刘勇，戴计生，等.一种基于实时网络数据的列车蓄电池故障预警方法 J.控制与信息技术,2 0 2 1（2）：10 6-111.(7):123 126.7李剑，刘美堂，高福学.城市轨道交通车辆变频空调系统节能及舒适性分析J城市轨道交通研究，2 0 15，18（5）：99-103.【8】王钊，魏婉娜，陈亮.轨道车辆变频空调节能试验及舒适性研究 J制冷与空调，2 0 16，30（1）：99-10 3.9张永利，孟胜军，轨道车辆变频空调机组在轨道交通中的节能分析J。现代城市轨道交通，2 0 12（6）：19-2 2.10 王兴江.轨道车辆空调的节能技术 J.机电工程技术，2 0 11，40(8),66-68.11】熊小慧，梁习锋.CRH2型动车组列车交会空气压力波试验分析 J.铁道学报，2 0 0 9，31（6)：15-2 0.【12 任姝颖.低温等离子技术在空气净化领域的发展现状及其应用前景 J.洁净与空调技术，2 0 17（3）：44-54.参考文献：1】米彩盈，李带.铁道机车车辆结构强度M.成都：西南交通大学出版社,2 0 0 7.2项彬，史建平，郭灵彦，等.铁路常用材料Goodman疲劳极限线图的绘制及应用J.中国铁道科学，2 0 0 2,2 3（4）：7 2-7 6.3刘鸿文.材料力学IM.北京：高等教育出版社,2 0 10.【4】黄诗尧，赵永翔，胡海斌.ZC230-450铸钢的疲劳可靠性设计Goodman-Smith图 J.机械强度,2 0 0 8,30(1）：117-12 1.