方 宇 張國(guó)富 潘 震 王 鑫

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,201620,上?！蔚谝蛔髡?教授)

基于運(yùn)用狀態(tài)下的空氣彈簧可靠性評(píng)價(jià)方法*

方 宇 張國(guó)富 潘 震 王 鑫

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,201620,上?！蔚谝蛔髡?教授)

針對(duì)城市軌道交通車輛空氣彈簧在使用過(guò)程中其理論壽命與實(shí)際檢修周期存在差異,提出了一種以車輛實(shí)際運(yùn)用狀態(tài)為背景,基于多體動(dòng)力學(xué)、非線性有限元分析和虛擬疲勞壽命聯(lián)合仿真的空氣彈簧可靠性評(píng)價(jià)方法。以某型城市軌道交通車輛為例,通過(guò)該方法計(jì)算得出的空氣彈簧的失效結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的真實(shí)損傷情況相吻合,證實(shí)了該方法的科學(xué)性。使用該方法對(duì)該型空氣彈簧在8年理論壽命至10年大修期間的可靠性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在此期間空氣彈簧膠囊的失效率增加0.73%,錐形應(yīng)急簧的失效率增加1.28%。由此,可以推斷該時(shí)間段內(nèi)空氣彈簧滿足可靠性的使用要求。

城市軌道交通車輛; 空氣彈簧; 疲勞壽命; 可靠性評(píng)價(jià)

Author′s address Institute of Urban Rail Transit,Shanghai University of Engineering Science,201620,Shanghai,China

目前,城市軌道交通維護(hù)保障企業(yè)選定的車輛分解檢修時(shí)間節(jié)點(diǎn)通常為5年(架修)、10年(大修),而現(xiàn)有空氣彈簧理論壽命為8年，不能與這兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)相匹配。針對(duì)這一問(wèn)題，車輛檢修企業(yè)通常的做法有兩種:一是在5年架修時(shí)對(duì)空氣彈簧進(jìn)行提前報(bào)廢,造成大量空氣彈簧剩余壽命的浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失;二是架修期間對(duì)空氣彈簧進(jìn)行檢查,如無(wú)問(wèn)題則繼續(xù)裝車使用,但此種情況下存在空氣彈簧理論壽命至大修期間的安全空窗現(xiàn)象,軌道交通運(yùn)營(yíng)企業(yè)將承擔(dān)較大的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。

空氣彈簧實(shí)際使用壽命與由設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)所得的空氣彈簧理論壽命之間的差別較大,且基于車輛運(yùn)用狀態(tài)下的空氣彈簧實(shí)際使用壽命方面的研究尚未見(jiàn)諸報(bào)道。針對(duì)該問(wèn)題,提出了一種基于多體動(dòng)力學(xué)、非線性有限元分析和虛擬疲勞壽命聯(lián)合仿真的空氣彈簧可靠性評(píng)價(jià)方法,期望利用該方法對(duì)列車實(shí)際運(yùn)用工況下的空氣彈簧壽命進(jìn)行評(píng)估,從而對(duì)城市軌道交通運(yùn)維企業(yè)合理評(píng)判空氣彈簧使用性能提出合理化建議。該方法對(duì)空氣彈簧設(shè)計(jì)企業(yè)同樣具有較為重要的參考價(jià)值。

1 可靠性評(píng)價(jià)方法概述

運(yùn)用該方法進(jìn)行空氣彈簧可靠性評(píng)價(jià)的具體技術(shù)路線如圖1所示。

(1) 通過(guò)城市軌道交通車輛實(shí)際動(dòng)力學(xué)參數(shù)及軌道線路參數(shù)的設(shè)置,運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)建模方法建立相應(yīng)型號(hào)車輛、空氣彈簧和軌道線路的多體動(dòng)力學(xué)模型,在SIMPACK軟件中通過(guò)模擬運(yùn)行獲得該型號(hào)空氣彈簧在列車運(yùn)行過(guò)程中的載荷-時(shí)間歷程曲線[3]。

圖1 空氣彈簧可靠性評(píng)價(jià)的技術(shù)路線

(2) 運(yùn)用有限元分析軟件ABAQUS建立空氣彈簧的精確有限元模型,并將載荷-時(shí)間歷程曲線導(dǎo)入有限元模型進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析,獲得空氣彈簧膠囊和錐形應(yīng)急簧的應(yīng)力數(shù)據(jù)。

(3) 基于虛擬疲勞試驗(yàn)原理,將車輛多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果、有限元計(jì)算結(jié)果通過(guò)Fe-safe疲勞壽命分析軟件做進(jìn)一步計(jì)算,獲得空氣彈簧的疲勞損傷情況。

(4) 結(jié)合疲勞損傷理論和空氣彈簧的虛擬疲勞損傷結(jié)果進(jìn)行綜合分析,對(duì)運(yùn)用狀態(tài)下的空氣彈簧可靠性進(jìn)行判斷,從而為空氣彈簧設(shè)計(jì)企業(yè)和車輛檢修企業(yè)提出合理化建議。

2 可靠性評(píng)價(jià)方法科學(xué)性驗(yàn)證

2.1 空氣彈簧多體動(dòng)力學(xué)仿真

運(yùn)用SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立了圖2所示某型式城市軌道交通車輛動(dòng)力學(xué)模型,其中包括輪軌關(guān)系模型、軌道線路模型、車體模型、空氣彈簧動(dòng)力學(xué)模型和空氣彈簧載荷譜等[4]。表1為輪軌系統(tǒng)建模主要參數(shù)。軌道線路參數(shù)設(shè)置采用了一段長(zhǎng)度為10 km的某城市軌道交通實(shí)際線路參數(shù)。

模型建立完畢,采用離線積分法(Perform TimeInt+Measurement)對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算,獲取空氣彈簧的垂向、縱向和橫向載荷-時(shí)間歷程曲線(見(jiàn)圖3～圖5),作為空氣彈簧疲勞壽命計(jì)算用載荷數(shù)據(jù)。

圖2 某車型整車多體動(dòng)力學(xué)模型

參數(shù)名稱參數(shù)值轉(zhuǎn)向架中心距/mm15700軸距/mm25000軌距/mm1435車輪滾動(dòng)圓橫向跨距/mm15330車輪滾動(dòng)圓直徑/mm840輪對(duì)內(nèi)側(cè)距/mm13580車輪外形S1002鋼軌外形UIC_60車體質(zhì)量/kg36000

圖3 垂向載荷-時(shí)間歷程曲線

圖4 縱向載荷-時(shí)間歷程曲線

圖5 橫向載荷-時(shí)間歷程曲線

2.2 空氣彈簧有限元仿真

2.2.1 有限元模型建立

本文采用Mooney-Rivlin超彈性本構(gòu)模型模擬該型空氣彈簧系統(tǒng)膠囊橡膠材料的超彈屬性[5]。其本構(gòu)模型如下:

(1)

式中:

U— 應(yīng)變能密度;

C10— Rivlin系數(shù),正定常數(shù);

C01— Rivlin系數(shù),正定常數(shù);

橡膠超彈性材料參數(shù)是根據(jù)橡膠硬度實(shí)驗(yàn)確定的,用XY-1橡膠硬度計(jì)測(cè)量所得。膠囊橡膠的硬度值為60HS。錐形應(yīng)急簧所用橡膠的硬度值為55HS。不同橡膠所對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)如表2所示。

表2 不同橡膠的材料本構(gòu)模型及參數(shù)

為提高有限元仿真的效率,縮短計(jì)算時(shí)間,在不影響計(jì)算精度的前提下,建模過(guò)程中對(duì)非關(guān)鍵部位進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。由于空氣彈簧是對(duì)稱結(jié)構(gòu),其承受的載荷也具有對(duì)稱性,為減少運(yùn)算量,只取一半對(duì)其進(jìn)行建模分析[6],如圖6所示。

2.2.2 空氣彈簧有限元計(jì)算

空氣彈簧載荷工況的設(shè)置參考EN 13597—2003《鐵路應(yīng)用 橡膠懸掛元件 空氣懸掛彈簧橡膠模板》、TB/T 2841—2010《鐵道車輛空氣彈簧》等軌道交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于空氣彈簧性能試驗(yàn)的相關(guān)方法。選取額定載荷AW2工況下的垂向載荷110 kN對(duì)空氣彈簧進(jìn)行加載,此數(shù)值與空氣彈簧在動(dòng)力學(xué)模型中所承受的垂向載荷一致[7]。

圖6 空氣彈簧有限元模型

空氣彈簧膠囊的應(yīng)力分析結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,膠囊下部?jī)?nèi)圓弧處應(yīng)力較為集中,最大應(yīng)力值為7.474 MPa;應(yīng)力最小的單元節(jié)點(diǎn)位于膠囊上邊緣,最小應(yīng)力值為8.283×10-4MPa。橡膠材料的疲勞極限一般為0.8 MPa,所以膠囊下部?jī)?nèi)圓弧處產(chǎn)生應(yīng)力疲勞損傷的幾率較大。

空氣彈簧錐形應(yīng)急簧的應(yīng)力分析結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,由3層天然橡膠(NR)組成的錐形應(yīng)急簧橡膠部分應(yīng)力較為集中,最大應(yīng)力點(diǎn)位于最內(nèi)層橡膠的外側(cè)下邊沿處,最大應(yīng)力值為4.645 MPa;應(yīng)力最小的單元節(jié)點(diǎn)位于最內(nèi)層橡膠的內(nèi)側(cè)偏上部位,最小應(yīng)力值為7.105×10-2MPa。因?yàn)橄鹉z材料的疲勞極限一般為0.8 MPa,所以錐形應(yīng)急簧最內(nèi)層橡膠的外側(cè)下邊沿處產(chǎn)生應(yīng)力疲勞損傷的幾率較大。

圖7 空氣彈簧膠囊應(yīng)力分布圖

圖8 應(yīng)急簧應(yīng)力分布圖

2.3 空氣彈簧虛擬疲勞仿真及評(píng)價(jià)方法驗(yàn)證

以Palmgren-Miner線性疲勞累積損傷法則為基本原理,將多體動(dòng)力學(xué)仿真得到的施加在空氣彈簧上的疲勞載荷譜、有限元分析得到的空氣彈簧應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果,以及組成空氣彈簧各零部件所對(duì)應(yīng)的材料屬性(如楊氏模量、拉伸強(qiáng)度、S-N(應(yīng)力-壽命)曲線)等數(shù)據(jù)輸入Fe-safe疲勞分析軟件中,建立空氣彈簧的結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析模型。在Fe-safe疲勞算法中選擇采用主應(yīng)變法(Principal Strain)的Morrow平均應(yīng)力修正法進(jìn)行虛擬疲勞仿真,從而對(duì)運(yùn)用狀態(tài)下的空氣彈簧可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)[8-10]。

為有效驗(yàn)證空氣彈簧可靠性評(píng)估方法的科學(xué)性,進(jìn)行了如下比對(duì)分析:

(1) 運(yùn)用10年后膠囊實(shí)際裂紋與仿真結(jié)果比對(duì)。對(duì)某城市已使用10年的該型軌道交通車輛空氣彈簧進(jìn)行抽樣調(diào)研,抽樣比例為70%,結(jié)果表明，膠囊是空氣彈簧最容易產(chǎn)生裂紋的部件,且90%以上的裂紋分布在膠囊與扣板連接區(qū)域,以及膠囊內(nèi)弧區(qū)域。將運(yùn)用了10年的空氣彈簧膠囊裂紋照片與空氣彈簧膠囊失效的仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì),如圖9所示。可以看出,空氣彈簧膠囊單元失效的仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際損傷狀況基本吻合。

圖9 膠囊典型外部損傷示意圖

(2) 運(yùn)用10年后錐形應(yīng)急簧實(shí)際裂紋與仿真結(jié)果比對(duì)。通過(guò)檢修現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得知,錐形應(yīng)急簧外表面發(fā)生損傷的情況很少。調(diào)研中只發(fā)現(xiàn)了少量的錐形應(yīng)急簧有橡膠與鋼板粘結(jié)處外邊緣發(fā)生剝離的現(xiàn)象，此外還有極少數(shù)的錐形應(yīng)急簧橡膠表面有被銳器刺(碰)傷的痕跡。本文選取1張典型的錐形應(yīng)急簧外部損傷圖片,將其與錐形應(yīng)急簧單元失效情況仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖10所示。由對(duì)比結(jié)果知,仿真計(jì)算所得錐形應(yīng)急簧單元失效集中區(qū)域位置與實(shí)際損傷位置稍有偏差,但整體趨勢(shì)比較正確。

圖10 應(yīng)急簧典型外部損傷示意圖

比對(duì)分析結(jié)果證明，基于多體動(dòng)力學(xué)、非線性有限元分析和虛擬疲勞壽命聯(lián)合仿真的空氣彈簧可靠性評(píng)價(jià)方法具有較好的科學(xué)性。

3 可靠性評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用

3.1 空氣彈簧檢修現(xiàn)場(chǎng)典型問(wèn)題描述

廠家建議的軌道車輛空氣彈簧使用壽命為8年左右,但目前城市軌道交通運(yùn)維企業(yè)一般以5年為一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拆車檢修。即從空氣彈簧投入使用直至第5年架修時(shí)才對(duì)空氣彈簧進(jìn)行第一次拆車檢修,如未發(fā)現(xiàn)異常則將其裝車?yán)^續(xù)使用,直到第10年車輛大修時(shí)再次對(duì)空氣彈簧進(jìn)行拆卸檢查。

由于第8年以后空氣彈簧廠家不提供保修和使用安全保障,此時(shí)車輛運(yùn)用企業(yè)就會(huì)面臨兩個(gè)矛盾點(diǎn):

(1) 如果為了保證絕對(duì)安全而在第5年架修時(shí)將這種型號(hào)的空氣彈簧進(jìn)行報(bào)廢,則需要損失3年的使用壽命,浪費(fèi)巨大;

(2) 如果第5年后繼續(xù)使用至第10年大修,則面臨空氣彈簧在第8年到第10年之間的2年運(yùn)行安全性無(wú)法得到保證。

針對(duì)上述問(wèn)題,采用本文提出的基于運(yùn)用狀態(tài)下的可靠性評(píng)價(jià)方法,選取空氣彈簧使用第5年(架修時(shí)間點(diǎn))、第8年(理論使用壽命)和第10年(大修時(shí)間點(diǎn))3個(gè)特殊時(shí)間點(diǎn),對(duì)空氣彈簧上兩個(gè)最關(guān)鍵、也是壽命最薄弱的橡膠零部件—膠囊和錐形應(yīng)急簧的失效率進(jìn)行分析,并根據(jù)失效率對(duì)空氣彈簧整體的使用可靠性進(jìn)行研究。

3.2 空氣彈簧使用可靠性分析

圖11所示為空氣彈簧使用10年后各零部件整體的單元失效率分布云圖。由圖11可知,使用10年后單元失效率較高區(qū)域集中出現(xiàn)在膠囊內(nèi)弧和錐形應(yīng)急簧內(nèi)層橡膠外邊緣等區(qū)域(箭頭所示1區(qū)),最高值為95.91%。主要原因是膠囊和錐形應(yīng)急簧在上述區(qū)域應(yīng)力分布較為集中,如圖12所示。因此,在長(zhǎng)時(shí)間承受交變、循環(huán)載荷時(shí),膠囊內(nèi)弧和錐形應(yīng)急簧內(nèi)層橡膠外邊緣等區(qū)域的橡膠發(fā)生失效的概率較大。

圖11 使用10年后空氣彈簧各單元失效情況

注:圓圈區(qū)域?yàn)閼?yīng)力最大值

(1) 膠囊在使用第1年至第10年期間單元失效整體情況分析。分析圖12可知,膠囊單元失效率在50%到100%之間的單元數(shù)量較多。因此,本文重點(diǎn)分析第5年、第8年和第10年膠囊中失效率高于50%、65%、80%和90%的單元分布情況。其中,失效率高于50%的單元指失效率在50%至100%之間的單元,以此類推。表3所示為空氣彈簧膠囊在使用第1年至第10年期間全部單元失效情況的計(jì)算統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。通過(guò)此數(shù)據(jù)可以更加全面地了解膠囊在10年的使用期內(nèi)由于應(yīng)力疲勞損傷(機(jī)械損傷)所導(dǎo)致的單元失效情況及變化趨勢(shì)。

(2) 錐形應(yīng)急簧在使用第1年至第10年期間單元失效整體情況分析。分析圖12可知,錐形應(yīng)急簧單元失效率在5%到20%之間的單元數(shù)量較多。因此,本文重點(diǎn)分析第5年、第8年和第10年錐形應(yīng)急簧中失效率高于5%、10%、15%和20%的單元分布情況。其中,失效率高于5%的單元指失效率在5%至100%之間的單元,以此類推。表4所示為空氣彈簧錐形應(yīng)急簧在使用第1年至第10年期間全部單元失效情況的計(jì)算統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。通過(guò)此數(shù)據(jù)可以更加全面地了解錐形應(yīng)急簧在10年的使用期內(nèi)由于應(yīng)力疲勞損傷(機(jī)械損傷)所導(dǎo)致的單元失效情況及變化趨勢(shì)。

分析表3、表4數(shù)據(jù)可知,空氣彈簧膠囊失效率在50%至100%之間的單元數(shù)量由第8年的895個(gè)增加至第10年的939個(gè),共增加46個(gè),增加數(shù)量占膠囊單元總量的0.73%;錐形應(yīng)急簧失效率在50%至100%之間的單元數(shù)量由第8年的2 077個(gè)增加至第10年的2 320個(gè),共增加243個(gè),增加數(shù)量占膠囊單元總量的1.28%。從上述數(shù)據(jù)可以看出,空氣彈簧橡膠薄弱部位失效單元的數(shù)量及比例僅發(fā)生很小幅度的增長(zhǎng),所以可推斷此型號(hào)空氣彈簧在第8年到第10年之間的使用可靠性和安全性是可以滿足要求的。

3.3 對(duì)空氣彈簧設(shè)計(jì)的建議

由本文分析知,空氣彈簧膠囊裂紋主要集中在膠囊與扣板連接區(qū)域,以及膠囊內(nèi)弧區(qū)域。發(fā)生這一現(xiàn)象的主要原因是膠囊上述兩個(gè)區(qū)域(部位)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力較為集中,導(dǎo)致橡膠發(fā)生應(yīng)力疲勞損傷的幾率大大增加。建議空氣彈簧設(shè)計(jì)企業(yè)對(duì)膠囊整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì),從而有效減小膠囊與扣板連接區(qū)域以及膠囊內(nèi)弧區(qū)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)力,降低這兩個(gè)區(qū)域發(fā)生應(yīng)力疲勞損傷(機(jī)械損傷)的概率?；蛘?在空氣彈簧生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)膠囊與扣板連接區(qū)域,以及膠囊內(nèi)弧區(qū)域進(jìn)行材料加強(qiáng),以增加其抵抗應(yīng)力疲勞損傷(機(jī)械損傷)的能力。

表3 不同失效率時(shí)膠囊單元失效情況計(jì)算數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表4 不同失效率時(shí)錐形應(yīng)急簧單元失效情況計(jì)算數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

(1) 運(yùn)用本文提出的可靠性評(píng)價(jià)方法計(jì)算得到的空氣彈簧失效結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的情況吻合,空氣彈簧使用第8年到第10年期間膠囊的失效率增加0.73%,錐形應(yīng)急簧的失效率增加1.28%;

(2) 空氣彈簧中膠囊是壽命最薄弱部分,而結(jié)構(gòu)應(yīng)力疲勞是造成其損傷的主要原因。因此,建議空氣彈簧生產(chǎn)企業(yè)通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、危險(xiǎn)部位補(bǔ)強(qiáng)等方法對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行性能提升;

(3) 本文提出的方法有助于對(duì)空氣彈簧使用壽命的估算,從而可更好地利用其剩余價(jià)值,減少經(jīng)濟(jì)損失。

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Reliability Evaluation of Urban Rail Vehicle Air Spring in Using State

FANG Yu, ZHANG Guofu, PAN Zhen, WANG Xin

Since differences exist between the actual repair period and the theory lifetime of rail vehicle air spring in using state,an evaluation method of air spring reliability is proposed, which is based on the background of vehicle actual operation, the multi-body dynamics,the nonlinear finite element analysis and the virtual fatigue life joint simulation. Taking a type of practical application of urban rail vehicle as an example,the calculated failure result of air spring is in agreement with the real damage condition measured at the scene. Then, this method is used to simulate the reliability of a certain air spring during the theoretical lifetime from 8 years to 10 years overhaul,the results show that the failure rate of air spring capsule has increased by 0.73% and the failure rate of cone-shape emergency spring has increased by 1.28%.So it is clear that the air spring is reliable during the theoretical lifetime and could meet the operating requirements.

urban rail vehicle; air spring; fatigue life; reliability evaluation

*上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(12YZ150)

U 260.331+4

10.16037/j.1007-869x.2016.07.005

2014-09-02)