一种高速磁悬浮列车制动磁铁连接装置的疲劳寿命预测方法与流程

本发明涉及走行机构关键零部件疲劳强度预测的方法，为保证列车运行安全，并为制动磁铁连接装置的结构和性能的优化提供了可靠实用的方法，具体为高速磁悬浮列车制动磁铁连接装置的疲劳寿命预测。

背景技术：
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随着现代科技的发展，高速，平稳，安全，无污染的磁悬浮列车已经成为21世纪人类理想的交通工具。磁悬浮列车在牵引运行时与轨道之间无机械接触，从根本上克服了传统列车粘着限制、机械噪声和磨损等问题，成为当今世界最快的地面交通工具。

高速磁悬浮列车运行工况复杂，制动电磁连接装置作为制动磁铁与悬浮架之间的连接件，是磁悬浮列车非常重要的组成部分。在列车高速运行过程中，制动电磁铁连接装置即承受静载荷，又承受动载荷，因此其承载性能和疲劳寿命直接关系到磁悬浮列车的安全性和可靠性，它是决定磁悬浮列车整体性能的关键结构之一。

在列车高速运行过程中，制动磁铁连接装置长期处于动态交变载荷下工作，容易发生疲劳破坏，从而严重威胁列车的行车安全，因此对这个关键结构的疲劳寿命的可靠预测也就尤为重要。

技术实现要素：
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本发明的目的是基于橡胶弹性关节1，销轴2，三角连接件座3，三角连接件4，拉杆垫片5，轴6，橡胶7，橡胶轴套8的的三维模型结构，有限元分析和静强度、疲劳强度分析，提供一种现实可靠的对高速磁悬浮列车磁铁连接装置疲劳寿命预测的方法，为可靠实用的走行机构关键零部件疲劳强度预测方法，为了保证高速磁悬浮列车行车安全。

本发明技术方案：

一种用于高速磁悬浮列车制动磁铁连接装置疲劳寿命预测的方法，其特征在于，该方法主要分为4个步骤：首先进行基础理论分析，根据制动磁铁连接装置的结构和工作原理建立三维模型，确定零部件的静强度计算载荷，疲劳强度计算载荷及S-N曲线；其次建立有限元模型，在有限元分析软件中导入上一步建立的制动磁铁连接装置部件的三维实体模型，分析各个部件的应力分布和总变形分布，确定制动磁铁连接装置的关键点；然后结合部件承受的载荷以及有限元的约束条件进行静力学分析，校核零部件的刚度和强度是否满足列车运行要求同时进行零部件的疲劳寿命分析；最后基于静力学分析的结果及制动磁铁连接装置中的关键点，确定关键点的等效平均应力和应力幅值，采用SN-Goodman平均应力修正理论，对部件进行疲劳强度分析，检验结构的疲劳强度是否满足使用要求，完成部件疲劳寿命的预测。该方法可用于预测作为制动电磁铁与悬浮架之间的制动磁铁连接装置在长期处于交变载荷工况下的疲劳寿命的预测，可以保障列车运行的安全，也可为产品的优化设计提供基础，具有重大的使用价值和现实意义。

主要包括4个步骤。

第一步：基础理论。建立工作装置整体的三维模型，根据其工作原理，确定疲劳分析方法、强度计算载荷和S-N曲线。这一步主要是根据工作装置的结构与工作原理建立实际三维模型，为下一步的有限元分析建立必要的模型基础。

第二步：有限元模型。将由上一步确定的模型导入有限元分析软件中，结合承受的载荷和有限元的约束条件进行分析。这一步主要是基于上一步的模型进行有限元分析，分析工作装置的各个部件的应力分布和总变形分布，确定下一步静力分析的关键点。

第三步：静强度、疲劳强度分析。根据上一步得到的有限元分析的约束条件及部件承受的载荷，结合静力学分析，校核零部件的刚度和强度是否满足具体的工作要求。这一步主要利用静强度和疲劳强度分析进行零部件的疲劳寿命分析，为下一步具体的疲劳寿命预测建立基础。

第四步：疲劳寿命预测。基于上一步的静力分析结果及关键点，确定关键点的等效平均应力和应力幅值，采用SN-Goodman平均应力修正理论，检验结构的疲劳强度是否满足使用要求，完成部件疲劳寿命的预测。这一步主要是综合之前做的所有分析，完成工作装置疲劳寿命的预测。

该方法应用于高速磁悬浮列车制动磁铁连接装置的疲劳寿命预测，具有以下的优点：

1.本发明通过该零部件的结构模型，有限元模型和静强度、疲劳强度分析来进行疲

劳寿命预测。不仅节省了寿命的估算时间，又能很大程度地减少试验成本。

2.本发明确定了高速磁悬浮列车制动电磁铁连接装置中容易发生疲劳破坏的关键

点，为后期优化产品结构提供了可靠的设计依据。

3.本发明对走行机构的关键零部件测试具有重要的指导意义，并为缩短相关产品研

发周期，保障高速磁悬浮列车行车安全提供了重要的理论依据。

附图说明：

图1——疲劳寿命预测研究方法示意图。

图2——本发明应用对象高速磁悬浮列车制动磁铁连接装置结构示意图。

图3——是制动磁铁连接装置橡胶弹性关节结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详述。

应用例

本发明应用的对象为高速磁悬浮列车制动磁铁连接装置。其结构组成为橡胶弹性关节1，销轴2，三角连接件座3，三角连接件4。其中制动磁铁连接装置橡胶弹性关节结构为拉杆垫片5，轴6，橡胶7，橡胶轴套8。

一、

首先根据制动磁铁链接装置的工作原理和结构建立三维模型，然后对组成结构确定材料参数并进行分析。

对于销轴2的材料为42CrMo4，三角连接件座3和三角连接件4的材料均为AlMgSilF28，纵向摆杆关节轴承内圈的材料为42Cr，对它们采用线性本构模型进行分析，力学参数如表1所示。

表1 金属材料力学性能

对于橡胶弹性关节结构中的橡胶7采用热力统计学模型和基于唯象理论的连续介质力学模型来模拟橡胶材料的力学特性，天然橡胶的材料力学性能如表2所示。基于这些参数建立制动磁铁连接装置的三维模型。

表2 天然橡胶的材料力学性能

二、

然后在ANSYS workbench中导入上一步建立的制动磁铁连接装置三维模型，对三维模型进行网格划分，共划分节点78306个，网格37507个，并对制动连接装置的有限元模型施加固定约束和轴承负载。再根据高速磁悬浮列车的实际工况，确定制动磁铁连接装置的疲劳强度载荷如表3所示。制动磁铁连接装置在表3的疲劳载荷工况下，其有限元分析的应力结果为：金属部分最大von Mises应力值为25.746MPa，发生在纵向摆杆关节轴承外圈；纵向摆杆关节轴承的橡胶元件最大von Mises应力发生在橡胶元件内侧，应力值为1.004MPa；制动磁铁连接装置最大的变形发生在制动磁铁连接装置中橡胶元件处，最大总变形量为1.384mm。

表3 制动磁铁连接装置疲劳强度载荷

三、橡胶材料的机械疲劳可表述为在动态应力作用下，裂纹缓慢增长而导致橡胶力学性能下降的现象。但出现疲劳裂纹并不一定能认定橡胶处于疲劳失效的状态。但随着疲劳试验循环次数的增加，橡胶局部的破坏现象会导致材料弹性模量和强度的不断下降，直到其强度下降到不足以承受额定的疲劳载荷的程度。由于橡胶元件的弹性模量很难测量，在疲劳试验过程中，一般以橡胶元件静刚度损失率判定产品的失效程度。目前，对于橡胶元件静刚度失效没有统一的标准，根据制动磁铁装置的实际承载特性要求，选择静刚度损失率下降20％作为其疲劳失效标准。

四、

再将制动磁铁连接装置应力分析结果、金属和橡胶材料S-N疲劳寿命曲线导入有限元分析软件，结合表3的疲劳载荷工况，得到疲劳预测寿命最低处为弹性关节1中的橡胶元件7，疲劳预测寿命为10万次循环。为了验证制动磁铁连接装置疲劳寿命预测结果的准确性，对验证制动磁铁连接装置进行了相同疲劳工况载荷下的疲劳试验。随着疲劳试验循环次数的增加，制动磁铁连接装置中橡胶元件的静刚度不断下降，初始静刚度K1约为6.64kN/mm，疲劳加载10万次后橡胶元件的静刚度K2下降为5.81kN/mm，静刚度损失率为12.5％，满足工程承载特性要求。

本发明方法所应用的对象为制动电磁铁与悬浮架的连接件，其特征是：保证制动电磁铁的刚性定位；将制动力均匀地传递到相邻的悬浮架上，并起到一定的减振作用；限制制动电磁铁作用在导向轨上的吸引力；补偿相邻悬浮架和制动磁铁之间的动态相对运动。