高铁车体结构件应力分析与疲劳强度评估王磊但龙姜晓艳

高铁车体结构件应力分析与疲劳强度评估王磊但龙姜晓艳

王磊但龙姜晓艳

中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛266000

摘要：2007年4月18日，我国的高铁开始正式投入使用，由于是刚刚开始进行高铁的建设，因此在高铁运营过程中往往会出现各种各样的问题和缺陷。其中有80%的机械零件都是因为疲劳破坏而失效的。高铁车体结构大部分都是采用金属材料制作的，而金属不可能做无数次的交变载荷试验，都存在一个疲劳强度，一旦所加的应力值超过金属材料的疲劳强度，就会导致金属变形，从而出现严重事故。基于此，本文首先简单的介绍一下影响疲劳强度的因素；随后详细的介绍一下计算疲劳强度的疲劳试验方法。以此仅供相关人士进行交流与参考。

关键词：高铁车体结构件；应力分析；疲劳强度评估

引言：

在这短短的十几年间，我国的高铁行业得到了突飞猛进的发展，装备生产、运行管理等质量水平也在不断的进步和提高。而机械零件作为高铁车体结构的一个重要组成部分，确实应该引起高铁部门的重视。本文首先介绍一下影响机械零件疲劳强度的因素，随后介绍一下计算机械零件疲劳强度的疲劳试验方法，从而准确的进行疲劳强度的评估，从而不断提高高铁结构件的质量。

一、影响高铁车体结构的疲劳强度因素

高铁车体结构件的疲劳强度评估研究一直都在进行，其中最初的评估方法就是对零件疲劳极限进行测定。但由于实际零件在制作过程中尺寸、形状、材料等都各有不同，因此通过测定零件疲劳极限来评估疲劳强度的试验方法在实施起来具有很大的困难。以此，我们可以通过研究影响机械零件疲劳强度的因素来评估机械零件的疲劳强度。影响机械零件疲劳强度的因素主要是应力集中与梯度；尺寸效应以及表面加工质量这三点（见图一）。

（一）应力集中与梯度

为了满足高铁车体结构的要求，机械零件的制作和加工一般都有拐角、切口、沟槽等缺口，这些缺口自然而言的就出现了应力集中，从而提高了零件的局部应力。在零件部件承载静载荷时，随着静载荷的增加，零件会出现一个宏观塑性变形的阶段，重新分配应力并趋于均匀。而对于疲劳破坏而言，零件并不会出现明显的宏观塑性变形，也不会重新分配应力，因此缺口处的疲劳强度比光滑部位高，出现问题的概率也比较大。缺口处的最大局部应力ɑmax和名义应力ɑn的比值为理论应力集中系数K，K=ɑmax/ɑn。K可以用来表示应力集中提高零件局部应力作用，也被称为形状系数，一般采用弹性力学解析方法或者是光测弹性力学试验来求解[1]。

（二）尺寸效应

机械零件的尺寸对于疲劳强度的影响较大，尺寸效应指的就是当尺寸增大时，疲劳强度就会降低。一般用尺寸系数ε来表示尺寸效应作用的大小。δ-1d为零件的疲劳极限，δ-1为几何相似式样的疲劳强度，d为试样和零件的尺寸（一般在6mm到7.5mm）,所以ε=δ-1d/δ-1。引起尺寸效应的因素可以分为制作工艺因素和比例因素。制作工艺因素主要是指机械零件在加工制造过程中因为制作差异出现的尺寸变化[2]。而且铸造件的规模大小也会不同程度的增加铸造困难，一般体积越大的铸造件铸造难度更高，也比较容易出现气孔、沙眼等缺陷，这些缺陷都会成为零件的薄弱部分，从而降低零件的疲劳强度。

（三）表面加工质量

表面加工质量一般由表面粗糙度来衡量，金属种类的不同、加工方法的不同都会对表面加工质量造成影响，像金属表面切削深度、切削用量等，都会对零件部件的疲劳强度产生影响。根据相关研究证明，金属式样的疲劳强度随硬化程度的增加而增加，而且应变硬化的式样都会产生残余的压应力，这种压应力会大大提高零件的拉伸疲劳强度，进而降低零件的疲劳强度[3]。

（图一）影响高铁车体结构的疲劳强度因素

二、计算疲劳强度的疲劳试验方法

（一）常规疲劳试验方法介绍

在进行疲劳实验之前，首先要制备好疲劳式样，疲劳式样需要经过机械加工、热处理以及尺寸测量、表面检验等步骤，保证疲劳式样能够达到疲劳试验的设备要求标准。常规的疲劳试验方法主要用于式样个数不多、生产任务紧急的情况，该方法可以直接给出零件式样的疲劳性能数据，从而判断零件的疲劳强度。另外，在实验过程中，给定应力的大小要根据破坏循环次数来决定[4]。破坏循环次数越少，给定应力应该越大，而长寿命区的试验一般都在低应力水平下进行。同时，还应该给应力划分一定的层次水平，水平间隔随应力水平的高低适当改变，一般高应力水平的间隔更大。

（二）成组试验法

常规疲劳试验方法只能够得到每一个应力下一个式样的S-N曲线，因此得出的结果精度并不高，再加上疲劳寿命试验的离散型比较高，因此需要使用成组试验法来对寿命小于106次破坏循环的S-N曲线进行试验，也就是说用一组式样来进行同一应力下的疲劳强度试验。在进行成组试验时，最需要考虑的一个试验因素就是成本问题，影响成本问题最直接的因素便是进行成组试验的每组式样的个数。只要准确确定出进行成组试验的每组式样个数，才能够最大程度上的降低成本消耗。在多数情况下，施加的应力水平越低，其疲劳寿命的离散性越高，因此高应力水平下进行成组试验法的个数要远远低于低应力水平下的个数[5]。而且式样个数的选择对实验结果的准确性影响也比较大，因此需要采用母体均值u的区间估计式来对式样个数的选用进行估计。

三、结束语

总而言之，在我国高铁动车组飞速发展的今天，其装备制造和车体结构相比于国外发达国家的高铁依旧存在一些缺陷，为了确保我国高铁车体能够安全稳定的运行，需要对高铁车体结构零件的疲劳强度进行准确的分析，减少机械零件因为疲劳破坏而失效产生的故障。现如今评估机械零件的疲劳强度主要是通过研究影响机械零件疲劳强度的因素评估的，而影响机械零件疲劳强度的因素主要是应力集中与梯度；尺寸效应以及表面加工质量这三点。随后通过常规疲劳试验方法和成组试验法这两种方法对计算疲劳强度的疲劳试验方法进行了简单的介绍。以此来不断提高高铁车体结构件的疲劳强度分析，并促进我国高铁车体结构的质量不断提高，进而加快我国高铁行业的不断发展。

参考文献：

[1]戚广枫,肖晓晖,赵慧,etal.高铁接触网关键零部件的疲劳寿命分析[J].中南大学学报（英文版）,2018,25(8).

[2]彭其渊,冯丽萍,文超,etal.高铁列车运行控制信息传递流程结构脆性分析[J].西南交通大学学报,2017(04):154-159+167.

[3]陈吉光,张宁,高飞.闸片结构对盘形制动器温度场的影响分析[J].机械科学与技术,2018,37(10):119-125.

[4]杨小燕,王立松.基于威胁分析的高速铁路行车安全风险评估方法[J].铁道运输与经济,2017(01):75-80.

[5]袁隽[1,2],赵烁[1],李丽辉[3],etal.高铁列车密度与旅客需求强度的关联分析[J].铁道科学与工程学报,2018.