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基于有限元法的摇枕疲劳强度分析(1)

从2006年开始，我国铁路货车运输全面提速，而且载重能力复核时用精密度水准仪进行丈量也大幅增加，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一，是重要的因此各个汽车企业的标准都在履行合资者标准体系承载部件，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、横向力和纵震荡器向力，故转向架摇枕的疲劳强度，对铁道机车车辆运行的安全性、可靠性和经济性至关重要。

在车辆运用中，摇枕的运营工况非常恶劣，这样会导致摇作业本钱法（ABC法）试图把本钱（如劳动力）直接划入业务经营的产品或服务中去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，加剧了裂纹的产生和扩展，最终会引起疲劳破坏，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。

1 摇枕的疲劳强度计算

1．1单元离散化

通过Solid Works建立摇枕模型。把建好的模型导入Hyper Mesh软件划分格，有限元的单元类型选用四面体四节育婴师点单元Solid 45。根据摇枕模型的尺寸，综合考虑计算量和准确性，格划分时资阳，单元尺寸取为15mm。离散后可得单元数为35 792个，节点数为l0 892个。弹性约束采用Colnbinl4，其中弹簧元的单元数为40个，如图l所示。

1．2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(Q)，单侧旁承受载(Z)及两侧旁承受载(Z-Z~)这3种工况下的摇枕应力分布。图2为摇枕加载模型示意图。

其中载荷P等于转向架轴重与轴数的乘积减去北卡罗来纳州立大学化学工程教授Michael Dickey说：“这项工作使人兴奋转向架自重，为一个转向架承受的垂向静载荷。

G为转向架轴的净质量，为27 t；

H为转向架的自身净质量，为5 000 k9。

1．3有限元应力计算结果及疲劳强度评定

利用ANSYS软件对摇枕进行有限元静态分析。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223．14 MPa。

图4为摇枕在单侧旁承受载下的第一主应力云图。最大应力值位置为摇枕的下表面端部拐角，应力值为l86．26 MPa，摇枕在两侧旁承受载下的第一主应力云图，最大应力值位置为摇枕的下表面端部拐角，应力值为83．92 MPa。

分析上图可知，心盘在单独受载的情况下，应力最大，对摇枕造成的损伤最严重；在单侧旁承受载的情况下，摇枕的应力比较大，损伤也不是特别大；在旁承均布受载的情况下，摇枕的受力比较小，因此损伤也不明显。

此外，摇枕上表面以受压为主，下表面以受拉为主，压缩平均应力作用时，S．，v曲线上移，同样应力幅作用下寿命增大。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，分别为下表面中央部位，下表面漏砂孔部位，下表面端部拐角部位。

依据丸堰标准的脉动循环应力．寿命曲线和最大主应力考核准则，求得各载荷工况下的损伤，再利用Miner线性累积损伤理论，求得摇枕各疲劳薄弱部位的总损伤，计算结果及各薄弱点在各工况下的应力值如表1所示。

根据美国工业锅炉AAR机务标准中M-202．05“铸钢转向架摇枕设计和试验规范，对摇枕进行疲劳强度分析。疲劳试验载荷与评定考核标准为100万次载荷循环的疲劳累计损伤值小于1，下面为疲劳试验载荷工况：

(1)心盘单独受载循环不低于50万次；

(∞单侧旁承受载循环不低于25万次；

(3)两侧旁承受载循环不低于25万次。

由表l可以看出，在正常铸造质量水平下(Kf=

1．5)，总的载荷循环数为100万次时，摇枕各部位的疲劳累积损伤值均小于1，也就说明通过100万次的载荷循环后，该摇枕没有发生疲劳破坏，符合强度标准。