基于实测载荷谱的重载货车车钩疲劳可靠性研究

摘要

随着重载货车牵引吨位的增加和车辆周转次数的增多，连挂车钩间纵向动载荷出现的频次和幅值大幅度增加，恶化了车钩的服役条件，使得车钩服役寿命降低，出现裂纹和断裂的几率增加，从而影响了重载货车的运行安全;其次，车钩寿命受载荷特性、铸造缺陷、材料力学性能等不确定因素的影响呈现随机性，若采用确定性方法进行分析，其结果与实际情况不符。此外，目前中国还没有适于重载运行条件下车钩疲劳试验的行业标准，缺少相关依据评定车钩的抗疲劳能力。为此，结合中国重载货车车钩实际运用条件和制造水平，开展车钩疲劳可靠性方面的相关研究，有助于科学预估车钩服役寿命、合理制定检修周期、实现全寿命周期成本的控制，同时有助于为中国重载货车车钩在新运营条件下安全标准评定体系的制定提供参考。
　　动载荷是导致车钩各部件疲劳失效、服役寿命降低的直接原因，其直接影响到车钩的疲劳可靠性，为此，根据中国运煤专线实测的车钩载荷-时间历程进行了车钩载荷特性分析并编制了车钩载荷谱。在此基础上开展了重载货车车钩的疲劳可靠性研究，并编制了车钩疲劳试验载荷谱。论文主要研究内容如下:
　　1、开展了重载货车车钩载荷特性分析并编制了车钩载荷谱。根据车钩缓冲装置的结构特点，通过制作高精度测力车钩实线测试了1万t和2万t组合运煤列车的车钩载荷-时间历程，结合机车操纵记录，分析了不同运行工况下的车钩载荷特性。采用对数据分布形式不需要任何假定的核密度估计方法进行了车钩载荷极值分析，得到1万t和2万t重载货车车钩的最大拉伸载荷和最大压缩载荷。根据车钩载荷特点，选用雨流计数法并考虑平均载荷的影响研究了车钩载荷谱编制方法，依据Miner线性累积损伤理论建立了车钩载荷谱分组模型，确定了适于车钩载荷谱的分组数，编制了1万km谱长下的车钩拉伸载荷谱和压缩载荷谱，在此基础上开展了不同运行工况、不同车位处和不同牵引吨位下车钩载荷谱的对比分析。
　　2、根据车钩疲劳试验结果，基于截尾样本进行车钩疲劳强度可靠性分析。为准确预估车钩疲劳薄弱区（钩体的牵引突缘、钩舌的牵引突缘和牵引面）的疲劳寿命，采用2万t重载货车车钩试验载荷谱进行车钩疲劳试验，将疲劳薄弱区己出现裂纹和未出现裂纹的结果共同作为车钩疲劳寿命的统计样本，基于截尾样本分析方法进行钩体和钩舌疲劳寿命的最大似然估计。通过建立钩体和钩舌的有限元模型，采用准静态法确定了车钩疲劳薄弱区的载荷-应力关系，根据Miner线性累积损伤理论，得到了1万t和2万t重载货车车钩疲劳薄弱区的等效应力与车钩服役里程的关系，从而确定了车钩疲劳薄弱区的疲劳强度和P-S-N曲线。采用缺陷系数对E级钢的γ-P-S-N曲线进行修正，得到车钩疲劳设计时不同可靠度对应的缺陷系数。
　　3、采用基于拉丁超立方抽样的蒙特卡洛方法进行了车钩疲劳寿命可靠性和可靠性灵敏度分析。基于Miner线性累计损伤理论，建立了车钩疲劳寿命可靠性模型，确定了影响车钩疲劳寿命的随机变量参数。采用基于拉丁超立方抽样的蒙特卡洛方法分别进行1万t和2万t重载货车车钩疲劳寿命可靠性分析，确定了不同服役里程下的车钩疲劳寿命可靠度;开展了车钩疲劳寿命可靠度对随机变量参数均值和标准差的灵敏度分析，确定了各参数对车钩疲劳寿命可靠度的影响，以及各参数变化对车钩疲劳寿命可靠度变化的影响程度，从而为车钩疲劳寿命可靠性设计和确定提高车钩服役寿命的措施提供参考依据。
　　4、建立适于车钩的疲劳断裂可靠性模型进行车钩疲劳断裂可靠性分析。建立含三维裂纹的车钩子模型，采用相互积分法分析了不同部位裂纹前缘的3种类型的应力强度因子，确定了不同疲劳薄弱区裂纹的扩展形式和受载情况。在此基础上，建立车钩的疲劳断裂可靠性模型，分别进行了不同服役里程下1万t和2万t重载货车车钩疲劳断裂可靠度分析;开展了车钩疲劳断裂可靠性灵敏度分析，确定了各参数和各参数变化对车钩疲劳断裂可靠度的影响。
　　5、编制1万t重载货车车钩疲劳试验载荷谱。由于机车操纵对车钩载荷分散性的影响较大，将雨流计数法和非参数统计方法相结合，采用按分位点法外推得到不同分位点对应的车钩载荷谱放大系数。为提高试验效率，将车钩载荷-时间历程分解为趋势载荷循环和小幅值载荷循环，根据疲劳损伤等效原则，将小幅值载荷循环造成的损伤叠加于趋势载荷，通过放大趋势载荷的方式舍弃小幅值载荷循环，从而得到适于1万t重载货车车钩疲劳试验的拉伸载荷谱和压缩载荷谱，以及基本加载谱块。根据载荷谱外推分位点与放大系数的关系确定了车钩疲劳试验载荷谱的修正方法。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题背景与工程意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 重载货车车钩疲劳安全性研究

1．2．2 载荷谱的研究

1．2．3 结构的疲劳可靠性研究

1．2．4 铸钢件的疲劳评估

1．3 本文主要研究内容

1．4 本文技术路线

2 车钩载荷特性分析及载荷谱编制

2．1 车钩结构及受力分析

2．1．1 车钩结构

2．2．2 稳钩原理

2．2．3 车钩连挂分析

2．2．4 缓冲器特性

2．2 车钩载荷的实线测试

2．2．1 测力车钩的制作

2．2．2 车钩载荷测试

2．3 不同工况下车钩载荷的特性分析

2．3．1 牵引启动工况

2．3．2 制动工况

2．3．3 长大坡道工况

2．3．4 过曲线工况

2．3．5 不同工况下车钩载荷的对比分析

2．4 车钩载荷极值推断

2．4．1 核密度估计方法

2．4．2 车钩载荷极值统计

2．5 车钩载荷谱的编制

2．5．1 载荷计数方法

2．5．2 车钩载荷谱的编制方法

2．5．3 车钩载荷谱级数的确定

2．5．4 车钩载荷谱的编制

2．6 车钩载荷谱的分析

2．6．1 不同工况下车钩载荷谱的对比分析

2．6．2 不同车位车钩载荷谱的对比分析

2．6．3 不同牵引吨位车钩载荷谱的对比分析

2．7 本章小结

3 基于截尾样本的车钩疲劳强度可靠性分析

3．1 含裂纹车钩的失效分析

3．2 截尾数据下的车钩疲劳寿命统计分析

3．2．1 基于载荷谱的车钩疲劳试验

3．2．2 基于截尾样本的最大似然估计

3．2．3 车钩疲劳寿命的最大似然估计

3．3 疲劳薄弱区等效应力的确定

3．3．1 载荷-应力关系的确定

3．3．2 疲劳薄弱区的应力确定

3．4 车钩的P-S-N曲线

3．5 车钩疲劳设计缺陷系数的确定

3．5．1 E级钢的γ-P-S-N曲线

3．5．2 缺陷系数的确定

3．6 本章小结

4基于累积损伤的车钩疲劳寿命可靠性分析

4．1 疲劳累积损伤模型

4．2 疲劳寿命可靠性和可靠性灵敏度分析方法

4．2．1 可靠性和可靠性灵敏度分析

4．2．2 改进一次二阶矩法

4．2．3 蒙特卡洛法

4．2．4 重要抽样法

4．2．5 拉丁超立方抽样

4．3 基于等效载荷的车钩疲劳寿命可靠性模型

4．3．1 疲劳寿命可靠性模型的建立

4．3．2 等效载荷的统计分析

4．3．3 其它参数的统计分析

4．4 车钩疲劳寿命可靠性分析

4．5 车钩疲劳寿命可靠性灵敏度分析

4．5．1 疲劳寿命可靠性均值灵敏度分析

4．5．2 疲劳寿命可靠性标准差灵敏度分析

4．6 本章小结

5 车钩疲劳断裂可靠性分析

5．1 三维裂纹扩展分析方法

5．1．1 三维裂纹应力强度因子计算

5．1．2 裂纹扩展行为描述

5．1．3 相互积分法求解应力强度因子

5．2 基于子模型的车钩裂纹扩展分析

5．2．1 车钩子模型的建立

5．2．2 裂纹的引入

5．2．3 疲劳薄弱区的应力强度因子分析

5．2．4 裂纹扩展规律分析

5．3．1 疲劳断裂可靠性模型

5．3．2 车钩疲劳断裂可靠性模型

5．3．3 各参数分布特性的确定

5．4 车钩疲劳断裂寿命可靠性分析

5．5 车钩疲劳断裂可靠性灵敏度分析

5．6 本章小结

6 车钩疲劳试验载荷谱的编制

6．1 车钩载荷谱外推

6．1．1 载荷谱外推方法

6．1．2 车钩载荷外推核函数的确定

6．1．3 车钩载荷谱外推

6．2 小幅值载荷的等效处理

6．2．1 车钩载荷的分解

6．2．2 车钩趋势载荷谱

6．2．3 小幅值载荷的等效处理

6．3 车钩疲劳试验载荷谱的编制

6．3．1 载荷谱的确定

6．3．2 载荷谱型的确定

6．4 试验载荷谱的定性验证

6．5 试验载荷谱的修正

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 论文的主要结论

7．2 论文的主要创新点

7．3 研究工作展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集