货车螺旋弹簧疲劳寿命可靠性分析

螺旋弹簧是车辆主要零部件之一，它在运用过程中起着缓和冲击与振动，从而减轻零部件及钢轨的损伤，并使列车运行平稳的作用。如果弹簧性能低劣，不仅达不到上述目的，甚至会导致严重的行车事故。据齐齐哈尔南车辆段1992年4～8月份统计，约有125个枕簧折损或变形超限等损伤，其中裂损占50%以上。由此可见，对弹簧进行寿命分析，找出影响寿命的主要因素，对于确保车辆处于良好的运行状态是至关重要的。

1弹簧疲劳寿命统计分析

 兰州铁道学院车辆工程实验室曾对15组共45套转8A抗簧进行了疲劳试验，实验时按每组3套同时加载，一且发现其中任一个弹簧发生断裂或全部弹簧满足循环次数等于1000万次时即停止试验。分析可知，此试验数据为不完全截尾寿命试验敦据，利用近似中位秩法对以上数据进行统计处理得出了弹簧的失效信息：

将弹簧的寿命观为服从威布尔分布。利用表1中的数据可由最小二乘法拟合出外簧、内簧和内、外簧组成的一套弹簧的分布参敦和拟合时的相关系效R.，且可根据R，和自由度(n-2)由资料查得相应的置信度，结果见图2。

由图2可见，弹簧寿命服从三参数戚布尔分布的置信度均在0.99以上。

由可掌性理论可知，给定寿命下的可靠度为式1，式中Nn为威布尔分布的位置参数；η为特征寿命；m为威布尔分布的形状参数。

将图2中的有关参数代入式1即可求得N=1000万次时弹簧的可靠度

R外=0.6474  R内=0.7825  R组=0.5567

另外，由可靠性理论知：内外圈弹簧组合时，可看作一个串联系统进行可靠性分析，其可靠度为R组=R外*R内

 将R外=0.6474和R内=0.7825代入式(2)得R组=0.6474X0. 7825-0. 5066。这一结果与试验得出的结果(R组 =0. 5567)接近。

2弹簧疲劳寿命可靠性计算

2.1基本理论

大量试验研究与运用实践证明：货车弹簧的寿命多者超过一百万次，少者只有几万次，分散性很大。寿命分散性主要受尺寸、强度等因素的分散性影响，而这些因素的分散性在传统计算方法中是难以反映的。为此，本文采用可靠性计算方法来进行分析计算。所用公式为

2.2转8A枕簧的可靠性计算

由资料可查得转8A枕簧的有关参数，见表3。

2.2。1  弹簧应力计算

由表3中数据按“3σ法则”得

3许用可靠度确定

许用可靠度是可靠性设计的依据，它直接关系到产品的安全性和经济性。国内外许多专家都在探索如何选取最优可靠性指标问题。目前常用的确定方法为类比法和校准法。前者是类比人们在日常生活中所经历的其它风险时公众所能接受的失效概率确定出一个许用指标；后者则是对原来的设计标准进行校核来确定许用值，由于后一种方法充分利用了长期积累的经验，因而较前者更合理。

目前。我国车辆行业对弹簧疲劳强度的验收标准为：抽取3套弹簧进行试验，全部满足Ⅳ≥1 06次时认为产品合格。否则认为不合格。由于弹簧生产批量很大，故可按标准计数型抽样方案来反隽其合格质量水平Po。由文献[1]可知

据此综合考虑国内外现行标准中的规定，可由校准法取内、外圈弹簧的许用可靠度为0. 99。内、外圈组合弹簧的许用可靠度取为0.98。

4弹簧寿命影响因素分析

由计算可见，目前所设计的弹簧经过合理的强化处理是可以满足要求的。弹簧质量不理想的主要原因是材质和工艺问题。在枕簧试验时，早期断裂的弹簧大都存在压痕、夹渣等缺陷。

4.1尺寸偏差的影响

由式(3)可见，只要簧条直径彳和弹簧中径D各有1%的变化，应力偏差即将有7%的变化，从而导致寿命更大的分散。因此，应根据目前的实际情况选择一个满足经济性要求的尺寸偏差，并在验收时严格控制。

4.2表面伤痕与粗糙度的影响

表面伤痕处由于产生应力集中而易产生疲劳裂纹。资料表明，某一材料的弹簧，表面质量良好时的寿命为2. 73×106，表面有擦伤时为5.72×100,表面有小孔时为2. 76×10$1表面有裂纹时仅为1. 84×100。目前，国内外对弹簧的表面质t都有具体规定，见表4。

 表面粗糙度对疲劳强度也有很大影响。试验表明，弹簧淬火回火后，表面粗糙度在小于30弘m的区域内对疲劳强度影响最大，见图1。

4.3淬透性的影响

 由文献[4]知，一定硬度值以下的疲劳强度随硬度提高而增加，但硬度值超过该值后情况恰好相反。另外材料淬火愈不完全，疲劳强度愈低。

4.4表面脱碳的影响

表面脱碳会使弹簧上形成应力集中区，因而影响弹簧使用寿命。转8A扰簧所用硅钢脱碳层对其疲劳强度的影响见表5。由表5可见，脱碳愈严重，疲劳强度愈低。而且硅锰钢比其它合金钢更易脱碳。因此脱碳对枕簧疲劳强度的影响是不可忽视的。

4.5强化影响

 喷丸可使弹簧表面产生残余压应力，从而可提高其疲劳强度。国外试验资料表明：喷丸可使弹簧的疲劳强度提高50%～70%，甚至更高。另外，近期研究证实，在工作载荷的加载工况下预先加载t通常顶应力高达材料屈服极限的80%～90%），然后进行喷丸效果会更好。

5结论与建议

 (l)由以上试验结果的统计与计算分析可见，转8A枕簧的疲劳寿命服从三参数威布尔分布。且通过用校准法对目前验收标准的校准并类比国外经验可取转8A枕簧内外圈弹簧各自的许用可靠度为0. 9g，组合后的成套弹簧的许用可靠度为0.98。

 (2)另由以上分析可得t目前转8A枕簧循环次数等于IO‘次的可靠度依次为：内圈弹簧0. 782 5。外圈弹簧0.647 4。成套弹簧0.556 7。而通过强度分析可知它们的设计可靠度均在0. 98以上。造成这一问题的主要原因是加工工艺质量及原材抖的表面缺陷同题。因此，对我国铁路货车弹簧的加工质量和强化效果应引起重视。尤其应严格对原材料进货的检查与验收。

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