基于Miner线性累积损伤理论的摇枕疲劳寿命分析

夏祥春

（永城职业学院 机电工程系，河南 永城 476600）

摇枕是货车转向架三大件结构之一，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，主要承受和传递垂向力、横向力和纵向力，转向架摇枕的疲劳强度问题直接关系到车辆正常运行的可靠性、安全性、经济性。因此，对转向架摇枕进行疲劳强度评价及寿命计算具有很强的必要性。

1 疲劳强度评定标准

根据美国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。

2 摇枕的疲劳强度评定

根据对摇枕的有限元分析确定摇枕疲劳薄弱部位发生在下表面中央、下表面漏砂孔、下表面端部拐角。依据AAR标准的脉动循环应力-寿命曲线和最大主应力考核准则求出各载荷工况下的损伤，进而利用Miner线性累积损伤理论求得摇枕各疲劳薄弱部位的总损伤。

依据疲劳试验载荷下疲劳薄弱部位损伤计算结果可以对摇枕疲劳薄弱部位的大应力区的疲劳强度进行评价。在正常铸造质量水平下，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。

3 摇枕的疲劳寿命

根据美国AAR机务标准中90.7t敞车重空车载荷谱的记录里程。依据应力-寿命法，结合材料的S-N曲线和Miner线性累计损伤法则对摇枕的疲劳寿命进行估计。

由S-N曲线方程，第i级应力水平下的寿命为Ni。根据Miner线性累计损伤法则，单个谱块作用下摇枕的疲劳损伤为：

式中，D为疲劳损伤值；ni表示某应力水平的循环数。

当多级载荷谱对摇枕作用时，根据Miner线性累计损伤法则可知，对每级载荷谱单独作用时造成的损伤进行累积，最后得到摇枕的总损伤，其计算思路为：先计算每级载荷谱单独作用时造成的疲劳损伤值DK；再结合每个谱的记录里程λK，求出该部位累积损伤之和；最终由总损伤求的摇枕的总寿命。

式中，K为载荷谱数；λK为第K级载荷谱的记录里程；DK为第K级载荷谱下该部位的疲劳损伤值；N为摇枕的总寿命。

根据疲劳试验载荷下疲劳薄弱部位损伤计算，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，只要该部位达到疲劳寿命要求，那么整个摇枕就满足寿命要求，因此，该部位的寿命就代表了整个摇枕的疲劳寿命。依据美国AAR标准中的载荷谱，根据式（1）和式（2）计算可以求出摇枕该部位在不同Kf下的疲劳寿命，也就是摇枕的总寿命。

由AAR载荷谱下摇枕的疲劳寿命可以看出，疲劳降低系数为2.0时，得到摇枕的疲劳寿命为228万km，该疲劳降低系数代表了摇枕的正常质量水平，因此，摇枕的疲劳寿命即为228万km。当按照规范中规定的空车与重车的运行里程比0.95计算，可以得到重车情况下摇枕的寿命为15.2年。

4 结语

依据AAR标准中的载荷谱，在相应的疲劳降低系数下，运用Miner线性累积损伤法则对摇枕最疲劳薄弱部位（下表面漏砂孔处）进行了寿命评估，其寿命为76万～228万km。如果按照重车每年运行15万公里计算，则该处疲劳寿命为5.2～15.2年。摇枕强度的分析和寿命的估算为工程中摇枕的检修周期提供了科学的依据，保证了列车运营的安全性。

［1］王晓明，周业明，孙厚礼.天津地铁6号线转向架研制［J］.科技创新与应用，2017，（4）.

［2］美国铁路标准.AAR机务标准手册［S］.美国：北美铁路协会，1999.