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轨道车辆弹簧疲劳寿命分析

2022-11-29 542

城市轨道交通发展至今,在交通运输行业有着越来越重要的地位。我国已有30多座城市建立了城市轨道交通,运营路线超过3000公里。随着国家经济快速发展和人们对出行要求的不断提高,我国更多的城市还在建设城市轨道交通。在目前已建设完成的城市快速地铁网络中,随着城市区域向周边延展,城市快速地铁网络也在向周边延伸,也就意味着城市快速地铁的运行线路越来越长,城市快速地铁车辆必须提高运行速度来满足乘客的需求。在城市快速地铁车辆高速运行时,如何保障列车运行的平稳性和安全性是对保护乘客的财产和生命安全最为重要的。

轨道列车的走形部是保证车辆安全平稳的通过钢轨的部分,所以好的走形部是保证城市快速地铁车辆拥有良好的运行平稳性和安全性的最重要的因素。在轨道列车走形部的组成中,一系钢弹簧是其重要的组成部件,它在车辆运行过程中通过存储和释放能量,起到减震缓冲的作用。由于一系钢弹簧长期裸露在外工作且处于弹簧座与构架之间纵向、横向和垂向三个方向的交变载荷作用,在构架和轴箱之间高频振动,因此,弹簧容易产生裂纹,长此以往还会发生断裂。因此,研究弹簧的疲劳寿命对预防列车发生不可预测的安全事故和保障乘客财产和生命安全有重要的意义。

疲劳是指材料、零件和构件在循环加载下,在某点或某些点产生局部的永久性损伤,并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。疲劳寿命分析的方法中,最为传统的方法就是名义应力法,它是将应力和应力集中系数作为参数,并根据这些参数结合了零件的S-N曲线,利用疲劳累积损伤理论对零件进行疲劳寿命计算。

名义应力法主要用于高周疲劳寿命的计算,它认为只要零件的应力集中系数以及承受的载荷是相同的,那么这些零件的疲劳寿命就是相同的。因此,这种方法不仅简单方便,而且结果也相对准确,在实际工程中被广泛用于疲劳寿命的计算。其方法的一般流程如下图所示。

进行弹簧疲劳寿命计算一般需要准备好三个条件。第一,弹簧有限元静强度分析得出的分析结果,这是进行疲劳分析的基础,其结果文件中不仅包含了弹簧在载荷作用下的应力值,还提供了其应力值的分布情况。第二,弹簧材料的的疲劳性能,即材料的S-N曲线。S-N曲线是判断弹簧是否发生疲劳破坏的依据。第三,弹簧疲劳载荷谱,一般通过试验获取。准备好着三个外部条件后,在疲劳仿真软件中定义适合于弹簧疲劳计算的疲劳算法就可以进行弹簧疲劳寿命的计算。计算完成后,将结果文件保存,最后通过后处理器,查看弹簧疲劳寿命分析结果。

静强度分析是指分析零件正常环境加载静态载荷后的承载能力,即研究结构在静载荷作用下,抵抗变形的能力(刚度)及其响应特性(应力分布、变形形状、屈曲模态等)。通过有限元静强度分析可以求得弹簧的近似解,其求解精度和弹簧的建模方法、网格划分、载荷施加及边界条件限定等有关,在建模时,在保证不影响弹簧整体刚度的前提下应尽量简化模型。网格划分时应注意整体规模和质量,重点区域可以细化网格,增加网格密度,保证高质量网格,对于非重点区域则要适当增大网格。施加载荷和边界条件时,尽量保证与弹簧实际工作状态一致。通过对弹簧有限元静强度分析,可以得到其等效应力、剪切应力和接触应力的大小及分布情况,找到其危险区域,为疲劳寿命分析做好准备。


在疲劳分析软件中,只要将弹簧材料的强度极限和弹性模量输入,就可以自动生成其材料的疲劳性能曲线。下图为内簧材料的S-N曲线与疲劳计算结果。

通过仿真分析可以为何时更换弹簧提供科学的理论依据减少因弹簧疲劳断裂引起的事故,还可以为优化弹簧结构提供理论依据,以达到增加弹簧使用寿命的目的。

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