铁路货车转向架摇枕弹簧的疲劳可靠性分析

论文摘要

随着我国铁路运输向着高速、重载的方向不断发展,对车辆零部件的疲劳强度提出了更高的要求,作为货车转向架的关键零部件,摇枕弹簧在实现车辆载荷的均匀传递,缓和线路不平顺引起的振动与冲击等方面,起着至关重要的作用,因此,为保障行车安全,迫切需要对摇枕弹簧进行疲劳可靠性的研究。摇枕弹簧的疲劳可靠性研究对于货车的运行安全、设计制造、维修周期及标准的制定具有重要意义。同时,由于现有摇枕弹簧采用了新型材料60Si2CrVAT,亟待对其疲劳可靠性进行科学、全面的评估。本文以C70敞车的转K6转向架摇枕弹簧为作为研究对象,基于60Si2CrVAT材料的试验数据,利用AAR载荷谱对摇枕弹簧组进行了疲劳寿命评估,提出了评估弹簧疲劳的可靠性模型,并对弹簧组进行了全面的可靠性分析,主要工作如下：（1）根据疲劳试验数据及弹簧的材料属性得出弹簧的S-N曲线,并利用铁道部标准试验载荷对弹簧进行了疲劳寿命验证计算。（2）结合车辆的结构,对弹簧进行了详细的受力分析,采用AAR载荷谱,将载荷谱（包括心盘和旁承）转化为弹簧载荷谱,对弹簧进行疲劳寿命估算,得出了五种弹簧的疲劳寿命。（3）根据Miner线性损伤累积理论,考虑疲劳强度、材料属性、几何参数等基本因素的随机性,提出了弹簧的疲劳可靠性模型,并用Matlab进行建模,采用蒙特卡洛方法进行数字仿真,得出了弹簧的相关可靠性指标。（4）利用蒙特卡洛方法的仿真结果,对弹簧的疲劳寿命进行了分布拟合。通过与常用可靠性模型的对比,分析了摇枕弹簧组的系统可靠性。（5）分析了弹簧组系统故障对各弹簧疲劳寿命的影响,并给出了相关的维修建议。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 货车弹簧的发展历史
• 1.1.2 弹簧的失效形式
• 1.1.3 提速重载对弹簧的技术要求
• 1.2 疲劳寿命研究发展状况
• 1.2.1 国内外发展状况
• 1.2.2 摇枕弹簧的疲劳寿命研究现状
• 1.3 机械产品的可靠性
• 1.3.1 机械产品可靠性的特点
• 1.3.2 铁路车辆可靠性研究状况
• 1.3.3 摇枕弹簧的疲劳可靠性研究
• 1.4 论文主要研究内容
• 2 弹簧的性质及试验寿命
• 2.1 弹簧的作用及主要特性
• 2.1.1 弹簧装置的作用
• 2.1.2 弹簧的主要特性
• 2.1.3 弹簧的计算公式
• 2.2 弹簧的有限元分析
• 2.2.1 有限元模型
• 2.2.2 有限元分析
• 2.3 材料的S-N曲线
• 2.3.1 S-N曲线模型
• 2.3.2 绘制S-N曲线的方法
• 2.4 材料的疲劳试验
• 2.4.1 试验条件和试验方法
• 2.4.2 材料疲劳极限的测定方法
• 2.4.3 试验数据
• 2.5 弹簧的S-N曲线
• 2.5.1 材料的S-N曲线
• 2.5.2 弹簧疲劳强度的影响因素
• 2.5.3 弹簧的S-N曲线
• 2.6 试验寿命
• 2.7 小结
• 3 摇枕弹簧的疲劳寿命
• 3.1 疲劳分析的目的及方法
• 3.2 疲劳寿命评估方法
• 3.2.1 Miner线性累积损伤理论
• 3.2.2 AAR货车载荷谱
• 3.3 摇枕弹簧疲劳寿命计算方法
• 3.3.1 换算应力谱
• 3.3.2 弹簧的等效对称循环应力
• 3.3.3 小应力循环对疲劳累积损伤的影响
• 3.4 弹簧组受力分析
• 3.4.1 转K6转向架摇枕弹簧的结构
• 3.4.2 受力特性分析
• 3.4.3 弹簧组的挠力图
• 3.4.4 弹簧组的"压死"
• 3.5 弹簧组疲劳寿命计算
• 3.5.1 载荷谱转换系数
• 3.5.2 心盘重车载荷谱损伤计算
• 3.5.3 旁承重车载荷谱损伤计算
• 3.6 计算结果及分析
• 3.6.1 计算结果
• 3.6.2 结果分析
• 3.7 小结
• 4 弹簧的疲劳可靠性
• 4.1 可靠性简介
• 4.1.1 可靠性的重要性
• 4.1.2 常用可靠性特征量
• 4.1.3 可靠性评估的基本方法
• 4.2 蒙特卡罗方法
• 4.2.1 蒙特卡洛方法简介
• 4.2.2 随机数简介
• 4.2.3 均匀分布随机数的生成
• 4.2.4 任意分布随机数的生成
• 4.3 可靠性模型
• 4.3.1 疲劳可靠性模型
• 4.3.2 弹簧疲劳可靠性的随机因素
• 4.3.3 可靠性结构函数
• 4.4 蒙特卡洛仿真
• 4.4.1 仿真流程
• 4.4.2 程序设计
• 4.5 弹簧的疲劳可靠性
• 4.5.1 弹簧的可靠度
• 4.5.2 弹簧的疲劳寿命分布
• 4.6 小结
• 5 摇枕弹簧系统的可靠性
• 5.1 系统可靠性模型
• 5.1.1 串联系统可靠性模型
• 5.1.2 并联系统可靠性模型
• 5.1.3 表决系统可靠性模型
• 5.2 弹簧寿命分布的参数估计
• 5.2.1 常用的寿命分布模型
• 5.2.2 Weibull++7软件介绍
• 5.2.3 弹簧寿命分布的参数估计
• 5.3 系统可靠性模型
• 5.3.1 摇枕弹簧系统的性质分析
• 5.3.2 摇枕弹簧系统的模型
• 5.4 带故障弹簧系统的疲劳寿命
• 5.4.1 弹簧系统的故障
• 5.4.2 带故障弹簧系统的寿命计算方法
• 5.4.3 带故障弹簧系统的疲劳寿命
• 5.5 摇枕弹簧的检修建议
• 5.6 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 论文的主要创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 附录1 蒙特卡洛方法仿真主程序（外圆弹簧）
• 附录2 疲劳累积损伤计算（外圆弹簧）
• 作者简历
• 学位论文数据集