摘要:从含缺陷车辆部件的安全评估及探伤决策出发,论述了转向架部件(如构架、车轴等)的抗疲劳评估设计及评估进展,重点分析了合金钢EA4T车轴和碳素钢S38C车轴的设计理念差别,阐明了车轴运用评估中存在的难定量和过保守设计的理论局限性;首创提出了把“名义应力”+“损伤容限”有机融合的阶梯疲劳评估框架,给出了样本信息聚集改进原理、基于单轴拉伸性能的裂纹扩展模型、应力G缺陷G寿命的三参数评估图和表面残余应力场重建等四大关键技术.结果表明:基于安全寿命法的抗疲劳设计给出的评估结果过于保守,导致车辆部件维修不足或者过度维修;基于单轴拉伸性能的新型裂纹扩展模型的精度优于著名的NASGRO方程;KitagawaGTakahashi图把基于名义应力的疲劳极限和基于断裂力学的缺陷特征有机关联起来,比Goodman图更直观、定量和全面;基于表面单位压力法,获得了与实测结果基本一致的S38C车轴的残余压缩应力分布,表明压缩残余应力的引入提高了新干线车轴的抗微动磨损能力和抗疲劳裂纹扩展能力;广域环境服役、超高周疲劳机制、增材修复再制造、断裂求解技术及动力学和强度结合等问题成为未来研究的挑战.
关键词:车辆工程;高速列车;损伤容限;疲劳寿命;焊接构架;增材制造
0引言
到2020年底,中国高铁总里程达到3.9×104km,占世界运营总里程的65%以上,是高速铁路建设与运用规模最大的国家.然而,列车速度的不断提高,运用地域愈加宽广,服役工况日趋严苛,对车辆关键部件(车轴、构架等)的选材、设计、制造、运营和维护提出了更高要求[1G2].
以车轴为例,作为高速动车组最重要的安全临界部件之一,必须确保在线车轴运行状态良好、服役安全可靠,并且充分发挥其使用效能.然而,车轴在制造、运输、服役和维护中不可避免地出现各类缺陷(图1),包括磕碰、刮擦、撞击、腐蚀坑和微动磨损等[3G5].其中,最为典型的是异物致损(ForeignObjectDamage,FOD),其当量深度约0.2~2.0mm,是对车轴运用威胁较大的一类缺陷.这些缺陷在外部复杂服役环境和旋转弯曲疲劳加载作用下,发生裂纹萌生和扩展,导致车轴的失效断裂,是高速动车组运用中的巨大安全隐患.但在车轴的设计标准,如«铁路设备G轮对和转向架G驱动轴设计方法»(EN13104—2009)和«铁道车辆G车轴强度设计方法»(JISE4501—1995)等中,尚未载明关于缺陷的处理条款.为保证车辆超长距离安全可靠运行,需要根据检修规程进行更新或者判废处理.作者认为,在车轴设计时亦有必要对易于形成致命缺陷的关键部位进行强度和全寿命服役校核,以确保车辆运营的可靠性与经济性.
再以转向架为例,构架是列车安全、高速运行的根本保证,它具有长距离跨区运行和恶劣工况承载的特点.焊接过程不仅改变了母材均匀的微观组织结构和力学性能,而且改变了熔焊区域甚至整个结构的应力状态和几何形状,更造成了材料内部及表面的各种缺陷,使得接头成为整个结构的薄弱环节,是控制转向架焊接构架疲劳强度和使用寿命的重要因素[6G10].由于载荷形态、结构细节和服役环境的极端复杂性,保证和预判转向架焊接构架的抗疲劳断裂性能及服役安全性就成为更高速度轨道车辆发展中亟待解决的核心课题.
然而传统强度设计思想的一个基本假设是把材料视为无任何缺陷的理想均匀连续体[11G12],没有考虑小尺寸缺陷诱导的局部应力放大效应,给出过保守设计结果.当前,中国高铁面临着技术固化和产能升级的关键阶段,主机厂和路局也面临着维持和提升核心竞争力的重大历史机遇.突破名义应力评估的定性评估及思维定势,实现车辆结构长效性能的精准定量化评估应是高铁领域亟待开展的前瞻性课题.
20世纪工程科学的重大进步之一是(弹性和弹塑性)断裂力学的形成与发展[11].基于断裂力学,对含缺陷金属结构进行剩余强度和寿命及探伤周期的设计、评估与预测,成功解决了传统名义应力方法无法解释和难以解决的重大工程装备失效破坏的内在机理,大幅减少了恶性事故的发生,形成了一系列成熟的缺陷检测及评价规范,如英国«金属结构缺陷验收评定准则»(BS7910—2019)和中国«在用含缺陷压力容器安全评定»(GB/T19624—2004),并且发展出各种检测方法,例如广泛用于车辆结构的磁粉探伤[13G15]、超声波探伤[16G18]、阵列涡流探伤[19G21]、相控阵探伤[22G23]等,前三种普遍用于车轴.几种探伤方法综合运用,可以确保100%检出深度为1mm及更小尺寸的表面裂纹.基于断裂力学的损伤容限也相继被国际、国内和地区标准所吸纳,被普遍认为是名义应力方法后下一代重大装备结构设计与服役评估的先进思想.
最近,作者把名义应力和断裂力学结合,提出铁道车辆部件“阶梯疲劳评估框架”,即把无限寿命设计作为全寿命周期的第一级(初级)评估方法,把损伤容限思想作为第二级(高级)评估方法,这是轨道车辆抗疲劳设计的进展之一[24],成功用于铁道车辆焊接构架、空心车轴及制动盘的强度校核、服役定寿及探伤决策.
众所周知,中国高铁通过引进、消化、吸收、再创新的技术路线,取得了世界铁路颠覆性技术的巨大成就.至今日,中国高铁已进入高质量运维阶段,部分关键部件(车轴、构架等)已达设计寿命的三分之二.在超长距离复杂环境运用时,失效风险将迅速增大,确保运行安全经济可靠也是新时期世界高铁面临的重大技术课题.
基于这一问题,论文深入阐述现代车辆用金属部件(例如锻造车轴、焊接构架、铸钢部件、增材材料等)的无限寿命设计方法(包括各种累积损伤原理和标准规范)、损伤容限评估方法和最新提出的阶梯疲劳评估框架,以及支撑这一新型评估思想的四大关键技术,主要包括改进的样本信息的聚集原理(ImGprovedBackwardStatisticalInferenceApproach,ISIA[25])、基于单轴拉伸性能的新型裂纹扩展模型(ImprovedLongandPhysicallyShortCrackModGel,iLAPS[26])、应力G缺陷G寿命的三参数评估图(StressGDefectGLifetimeAssessmentDiagram,SDL[27G28])和重建表面强化致压缩残余应力的单位压力法(UnitPressureApproach,UPA[29]).其中,SDL图是在修正KitagawaGTakahashi图(KGT图)基础上,把与缺陷相关的疲劳寿命考虑进来的一种量化评估方法.同时,重点以EA4T材质车轴为例,给出采用阶梯疲劳评估框架的剩余寿命管理策略.最后,指出高速列车结构几个亟待研究的课题.
1结构完整性评估方法
完整性源自单词“Integrity”,指的是一种未受损坏、未被分离的状态.此处,是指车辆部件具备抵抗内外部因素的影响并保持安全可靠运用的能力.传统的完整性定义,更多的是强调在断裂力学框架内进行结构的力学性能保持.广义上来说,车辆结构完整性应在全寿命周期内维持与初始状态一致的微观组织特征、表面残余应力、固有接受缺陷等基本属性,并确保功能完整性、结构可靠性、状态可控性.
1.1抗疲劳设计的发展
工程结构的抗疲劳设计经历了静强度法、无限寿命法、安全寿命法和损伤容限法.其中,关键指标分别是名义应力和应力强度因子.名义应力亦称为标称应力,是指能用材料力学公式推算出来的具有平均意义的单轴应力,是目前金属结构设计、疲劳强度及寿命评估中广受认可的方法.名义应力发展较早,理论方法成熟,试验数据丰富,使用简单高效.例如,中国«钢结构设计规范»(GB50017—2003)、美国铁路协会AAR«机务标准手册»、欧洲«钢结构的设计»(EN1993Eurocode3)、英国«钢产品的疲劳设计和评估指南»(BS7608—2014)、国际焊接学会IIW«焊接接头及其构件疲劳设计标准»(XIIIG1965G03/XVG1127G03)等标准规范,都提供了详细的应力计算方法及丰富的应力疲劳SGN曲线(S为应力,N为循环周次)数据.
自从德国人Wöhler基于铁道车轴提出疲劳SGN曲线后,抗疲劳思想在机械结构服役可靠性领域得到了广泛应用.同时,材料及结构的疲劳测试技术也不断涌现,先后发明了液压伺服疲劳试验机、高周疲劳试验机以及超高周疲劳试验机等.借助这些设备,针对材料是否存在确定的疲劳极限,国内外学者开展了大量研究,极大地改进了机械结构的先进设计与制造水平.对于损伤及寿命预测,先后提出了Bauschinger效应、Basquin定律、Peterson因子、Weibull统计率、Miner损伤定律、MansonGCoffin公式、Paris方程及Elber裂纹闭合现象等.
随着金属结构朝着极限尺寸、极端工况、超高参数等方向发展,对关键承载部件或者安全临界部件的力学与结构完整性要求愈发苛刻,人们对无限寿命设计的理论假说提出了质疑.同时,人们对基于疲劳SGN曲线(即无线趋近于寿命轴)相关无限寿命的疲劳极限概念的高斯统计方法出了质疑(图3,Sa为应力幅值);普遍认为,设计方法及结果不应是确定性的而是概率性的.例如,20世纪50年代基于Timoshenko强度法并考虑弯曲加载工况设计出第一架“Caravelle”飞机,直到70年代才对金属结构的断裂力学行为开展了深入研究.起初,欧洲在设计超音速客机时基于传统的材料强度理论,然后又基于断裂力学的安全裂纹法进行了改进.此后,1980年的“Airbus”是人类基于损伤容限设计制造出的第一架客机.
为叙述方便,以下列举了铁道车辆结构抗疲劳设计的几个重要阶段.
(1)静强度法:设计应力远低于材料的轴向拉伸强度,一般还包括抗变形能力及力学响应.
(2)无限寿命:设计应力低于传统钢材料的疲劳极限,理论假设是结构中无任何缺陷.
(3)安全寿命:在德国强度评定FKM框架中,引入Miner损伤累积概念,即疲劳SGN曲线描述的斜率k区域和k′=2k-1区域,另外一种更复杂情况是考虑了结构服役中的变幅加载效应.
(4)安全裂纹:允许存在确定性的可预测扩展裂纹,这种方法也可以认为是损伤容限设计法.
另外一种方法,即局部失效法,也能够有效解决金属的疲劳问题,目前已在法国等国家广泛应用.此外,20世纪90年代超高周疲劳研究的兴起,提醒不应忽视材料内部的微缺陷(例如夹渣、气孔、未熔合、晶粒取向等)对工作载荷远低于传统疲劳极限的金属合金疲劳寿命的影响.超高周疲劳损伤机制的典型特征是,裂纹萌生源不再是表面缺陷,而是材料内部.这一特殊的裂纹萌生模式使得超高周疲劳更具有危害性、不确定性,需要给予足够重视.
无限寿命理论指出,车轴许用应力DSdes应根据材料光滑试样的疲劳极限DSlim来确定,不过DSlim必须区分车轴种类(实心或空心)以及车轴截面部位(例如两个部件的压装区或者过盈配合区、变截面区等),因此,有DSdes=DSlim/η,则实际运用中车轴应力应小于该设计应力值.安全系数η表示结构在测试和服役中的不确定性.
当前,欧洲标准«铁路设备G轮对和转向架G从动轴设计方法»(EN13103—2009)和«铁路设备G轮对和转向架G驱动轴设计方法»(EN13104—2009)采用基于梁理论的解析应力解,是一类典型的无限寿命设计,适用于低强度钢EA1N和中强度钢EA4T.所用力矩有:车体质量(全局弯曲)、车辆通过曲线惯性矩(弯曲+轴向力)以及牵引和制动力(扭转力).简化计算时以静力计算的形式确定车轴强度,而对动态载荷的考虑一般是选择适当的动荷系数,按静力叠加的方式进行设计;并假定所有载荷是同时作用在车轴上,动荷系数实际上反映了运行中的极端工况.
另外,当车轴有可能在腐蚀性环境中服役时,需要适当降低许用应力值或者加大安全系数.例如,欧洲标准«铁路设备G轮对和转向架G车轴G产品要求»(EN13261—2009)规定了腐蚀环境下车轴的设计载荷约为标准EN13103—2009和EN13104—2009中最大许用应力60%以下.根据当前研究,这一折损系数显然还不足以确保安全性.当规范未明确载明时,仍然采用无缺陷状态的许用应力值,而对于可能出现的超标缺陷认为在服役中出现即被清除,或者已采取了相关维保措施.
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当前,欧洲和中国推荐使用的车轴材料主要为碳钢EA1N和合金钢EA4T[5,32].其他一些高强度钢如34CrNiMo6的抗拉强度在800~950MPa之间.然而在设计实际车轴中必须注意到一个问题,即要确保降低簧下质量(降低轨道损伤几率)和较低的设计应力.其中使用高强度钢并减小空心轴壁厚是一个折中方案,但该种材料的缺口敏感性和抗裂性是必须要关注的问题.
新干线车轴的安全应力或者疲劳极限达到147MPa,这是由于通过加工硬化在车轴表面引入了深约10mm的压缩残余应力区[32G33].另外,压装配合区和轴身直径比值以及过渡区形状对裂纹萌生也有影响,例如当压装配合区与轴体直径近似为1时,压装区主要是微动磨损导致的裂纹.由于日本车轴压装区与轴体直径比小于欧洲车轴(新干线0系列为1.10,500系列为1.11;而TGV为1.154;经典ICE为1.16).所以,标准JISE4501—1995中没有对过渡圆弧或坡口区域裂纹萌生的评估,这主要是由于此处的疲劳强度并未显著恶化,不足以萌生裂纹.
1.2.疲劳损伤累积理论
实际工程中,大多数金属零件在变幅或者随机载荷下工作[11G12,34].这种情况下,由不同频率和幅值的载荷所带来的损伤经过不断积累,最终引起失效破坏.疲劳累积损伤是强度学科的重要概念.
众所周知,疲劳是一个不断发展和累积的过程,是指某点或某些点承受扰动应力,且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的过程,疲劳损伤则是指在随机载荷作用下的累积损伤.当损伤累积到某临界值时,就认为构件发生失效破坏.实际应用比较广泛的有以下几种[11G12].
(1)线性累积损伤准则:材料损伤在各应力作用下相互独立,进而可根据各部分损伤线性累加得到总损伤.比较典型的有PalmgramGMiner法则以及修正Miner法则、相对Miner法则.
(2)双线性累积损伤准则:损伤过程中材料的初、后期分别按照各自线性规律(疲劳SGN曲线上不同斜率线段),累积到总疲劳损伤.这其中,典型的是Manson双线性的疲劳累积损伤理论.
(3)非线性累积损伤准则:该理论认为各载荷所引起的损伤与之前的载荷历程相关,即应考虑载荷历程效应,这是比较符合结构实际服役工况的.其中,最具有代表性的CortenGDolan疲劳累积损伤理论、疲劳损伤曲线法.
(4)其他类型的累积损伤理论:这是一类经过试验、观察、分析总结得出的经验和半经验公式,或称之为唯象模型,例如Levy理论、Kozin理论等.
然而,实际工程结构服役中会承受极端复杂的疲劳载荷作用,包括低于疲劳极限的载荷和随机变化的载荷.此时,应该采用损伤累积思想来代替当前的车轴名义应力评估方法.下面以车轴设计为例,给出疲劳损伤累积的基本概念及其与传统设计思想的结合情况.图4是车轴疲劳强度设计及评价的标准方法[5],设计时默认为恒幅加载模式,且假定所有应力幅取极大值,疲劳极限(通常指107循环周次后)下的未知区间或其他特性暂由安全裕度来描述.——论文作者：吴圣川1,任鑫焱1,康国政1,王平2,马利军3,张晓军4,钱坤才5,滕万秀6
