专题研究 ２０１０年第１期 高速重载列车关键结构材料疲劳断裂可靠性数据构建方法 赵永翔 （牵引动力） １研究的意义 “高速”关系到人民出行是否方便和快捷，“重载”则关系到中国国民经济运转的顺畅、物价 水平的高低和社会民生的和谐。中国已拟定高速铁路发展宏伟规划：２００４年１月，审 议通过了《中长期铁路网规划》，正式批准建设１１条客运专线。到２００８年约建设６８００ｋｍ，接 近现今世界高速铁路总里程（约７０００ｋｍ）；到２０２０年，建成四横、四纵高速铁路网，总里程１． ２５万公里，远远超过现今世界高速铁路总里程。与此同时，货车正向快速重载（１２０ｋｍ／ｈ、２３ ～２５ｔ）方向全面发展。 可靠性与安全性是高速列车、重载运输的基本科技问题。《国家中长期科学和技术发展规 划纲要》、《国家“十一五”科学技术发展规划》和（（８６３计划“十一五”发展纲要》将包括高速、重 载列车技术的“重大产品和重大设施寿命与预测技术”列入重点研究专题。中国高速、重载列 车技术发展的经验也证明了重要性和急迫性：２００６年底中国宣布，原计划１０月份实施的 “铁路第６次大提速”计划延后至２００７年４月实施；为这次提速而开发研制的国产“蓝箭”、“先 锋”、“神州”和“中华之星”４个型号２００ｋｍ／ｈ及以上高速（列车）动车组，因线路试运行可靠性 较差等原因全部“下马”，转而采用引进技术。 自１９９７年中国实施“铁路提速战略”以来约发生了２０起列车脱轨事故，其中结构疲劳断 裂占６５％以上。有３大原因，都是由转向架关键部件的疲劳断裂造成，其中ＲＤ２型车轴卸荷 槽裂纹使车轴冷切造成６起；８４０Ｄ车轮辐板孔裂纹使车轮轮裂造成３起；３０Ｂ轴承内外圈接 触发生疲劳剥离使其运转不畅、引起温升使车轴热切造成３起。与此同时，如图２所示，转向 架焊接构架疲劳裂纹也是铁路运输可能的重要安全隐患。因此，解决铁道车辆转向架关键部 件的疲劳断裂可靠性与安全性，是中国铁路向高速、重载发展面临的重要科技问题。 ２一个重要的科学问题 要较好解决有关问题，有待铁道车辆关键结构及系统疲劳可靠性基础理论与方法的进步。 其中构建高速重载列车关键工程材料的疲劳断裂可靠性基础数据是面临的重要科技问题之 一。数据是进行疲劳断裂可靠性分析的基础。在３大造成我国铁路脱轨重大事故的原因中， 申请人负责的“ＲＤ２车轴疲劳断裂可靠性与安全性研究”和铁道科学研究院习年生研究员负 责的“８４０Ｄ车轮幅板孔疲劳裂纹断裂可靠性研究”所涉及的疲劳、断裂性能数据，都需要由课 题组“从头到尾”自己试验完成。申请人刚接受“Ｋ５、Ｋ６型转向架３０Ｂ轴承疲劳寿命研究”任 务也无相关数据。也就是说，对造成我国铁路１０余起列车脱轨重大事故的铁道车辆关键部 件，就其设计、制造和使用维修管理来说，事前没有做过疲劳断裂可靠性寿命与缺陷安全性分 析评估工作，自然没有数据。中国目前的铁道车辆的设计、制造与定型以及使用管理，基本上 作者简介：赵永翔，男，教授。 ・２５ ・ 专题研究 ２０１０年第１期 是参考国外同类产品执行，至多做过常规强度分析与基于规范的强度校核。显然，中国的材 料、制造、线路条件和使用组织情况，都可能与国外不一样，未经证实的照搬国外，难保工作的 合理性和铁路运输的安全性。 中国铁路部门在上一世纪９０年代组织过１２个工厂院所，开展“铁路常用材料Ｐ—Ｓ—Ｎ 曲线及Ｇｏｏｄｍａｎ图册”试验研究，自己试验了２４种材料，从《机械工程材料性能手册》（机械工 业出版社，１９９５）上摘抄了８种材料。这些数据以均值Ｓ—Ｎ曲线、存活概率Ｐ＝９０％一置信度 Ｃ：９５％Ｓ—Ｎ曲线和Ｎ＝１０７ｃｙｃｌｅｓ时Ｐ：９０％一Ｃ＝９５％的Ｇｏｏｄｍａｎ图的形式给出。在更广 层面，中国机械行业在１９８０ｓ曾组织过由郑州机械研究所牵头的系列疲劳试验工作，发布过 《疲劳设计参考资料》（１９８６）及《及更正启示》（１９８７）、《焊接接头基础疲劳曲线试验报告》 （１９９１）等，这些曲线则以特定Ｐ水平形式给出，没有考虑置信度，也未给出样本数和概率曲线 模型参数。而在单个疲劳断裂性能参数如疲劳极限、裂纹启裂门槛值和断裂韧度方面，则以均 值和均方差形式给出，没有给出样本数、试验数据的统计分布模型及相应参数。这些可靠性曲 线与参数在应用中存在以下缺陷： １）无法做非特定Ｐ—Ｃ水平的结构疲劳寿命预测和给定寿命下结构的可靠性评价。完善 的疲劳断裂可靠性曲线数据应当包括：除特定Ｐ—Ｃ水平的曲线方程外，曲线统计模型的参数 和样本数。完善疲劳断裂可靠性参数数据应当包括：描述参数的合适统计模型、统计模型参数 和样本数。 ２）有效寿命范围局限在应力循环数Ｎ＝１０７ｃｙｃｌｅｓ范围，对铁道车辆轮轴，这一范围不足 列车行使３万公里。而铁道车辆零部件的寿命要求，绝大多数不少于２００万公里。这要求铁 道车辆的疲劳可靠性数据，应该覆盖由“中短疲劳寿命”到“超长疲劳寿命”的广泛范围，即应力 循环数达到Ｎ＝１０８１０１０ｃｙｃｌｅｓ，才能实现疲劳可靠性分析的要求。 ３国内外发展现状 解决中国铁路疲劳断裂可靠性数据严重缺乏的合理途径：除尽量多做疲劳断裂可靠性试 验外，应当利用好已做试验数据。开展这一研究的目的，就是针对不完善历史疲劳断裂可靠性 数据，在可能的试验样本数范围内，再现满足已知可靠性信息的试验样本，在原特定Ｐ—Ｃ水 平的可靠性曲线的基础上，补充可靠性曲线的统计模型参数与样本数，补充可靠性参数的统计 模型参数与样本数，为实现非特定Ｐ—Ｃ水平下结构的疲劳可靠性寿命预测，以及任意寿命下 结构可靠性与安全性评价提供依据。最终与可靠性曲线外推理论结合，可实现铁道车辆结构 的寿命分析与可靠性评价。 纵观现有可靠性基础理论及数学工具，能实现上述目的的技术路线是ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ模拟技 术。目前，学术界对应用该技术进行可靠性分析的理论与方法正在探索当中，重点集中在与重 要性抽样法、神经网络、遗传算法等数学方法结合，解决复杂结构及多值系统可靠性分析问题， 以及重要因素、灵敏性、主要失效模式等判断问题，被认为是解决复杂结构系统可靠性问题的 有效工具。但是，对不完善疲劳断裂可靠性数据的重构工作，除申请人近期做过初步探索外， 尚未见他人做过类似工作。 而且，在现有ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ模拟工作中，为了再现原可靠性信息，使系统可靠性分析结果趋 于稳定，模拟样本数少则上千，多则上万，甚至上百万，远大于原可靠性信息测定时的可能样本 数，做法相当于把样本当成母本来处理，用于重要因素、灵敏性、主要失效模式等判断问题尚 ・２６ ・ 专题研究 ２０１０年第１期 可，如果用于定量分析，在可靠性理论与方法上是不严谨的，更重要的是，预测结果偏于危险。 在结构疲劳断裂可靠性分析领域，测定材料可靠性性能的组试样数很难超过１５～２０个，实物 结构或相似结构的试样数很难超过１０个。这样，在疲劳断裂可靠性分析领域，还原可靠性信 息有可接受精度、模拟样本数又在可能工程实践范围的ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ模拟法，是有待研究的创 新课题。 获得超长寿命范围疲劳可靠性曲线的可能途径有２条：一是直接完成包含超长疲劳寿命 范围的疲劳试验；二是根据中短寿命的可靠性曲线外推获得超长寿命范围的可靠性曲线。前 者应用于研究和揭示工程材料在超常寿命范围的规律性是有价值的，但要推广应用于测定常 见工程材料的可靠性曲线，时间与经费往往是很难实现的。采用超声疲劳试验法，由于试验中 的热一氧化作用和可能并非确定性的频率影响，试验结果可用于判断超长寿命范围的趋势，但 用于测定材料的可靠性曲线则证据尚显不足。而且，以日本学者为代表的现有超长寿命试验 结果，大多在Ｎ＞１０７ｃｙｃｌｅｓ左右存在所谓“疲劳极限”，这是恒幅载荷条件下的疲劳现象，人们 已普遍认识到在变幅条件下不存在“疲劳极限”现象。因此，研究获取关键部件材料在超长寿 命范围的可靠性曲线的方法及可靠性分析方法，是实现从现有Ｎ：：１０７ｃｙｃｌｅｓ范围可靠性分析 到真实的结构使用寿命范围的可靠性分析的关键科学问题。 在外推法方面，美国ＡＡＳＨＴＯ和欧洲ＥＣＣＳ规范分别提出过直接外推和Ｓ—Ｎ曲线指数 ２ｍ一１外推法，但申请人在处理铁路ＬＺ５０车轴钢时发现：它们都不通过自身疲劳极限。为解 决中国铁路ＲＤ２车轴的疲劳可靠性寿命预测问题，考虑客观上“不存在疲劳极限”，申请人曾 提出“概率曲线”外推法。但其广泛实用性如何，还有待进一步验证。因此，如何突破现有理论 与实践上的不足，研究提出从中短寿命的可靠性曲线外推获得合理的超长寿命范围的可靠性 曲线，是解决高速列车关键结构可靠性寿命预测的关键。 你们在２００６－－２００８年承担的８６３计划项目《高速列车动车组的寿命与可靠性设计技术》 （２００６ＡＡ０４Ｚ４０６）研究（以国外相关先进设计分析标准为基础，在一种引进动车组原型基础上， 完成高速动车组关键部件车轮、车轴、转向架构架的疲劳可靠性设计软件系统）中发现：在高速 列车技术在较发达的欧洲，针对这些关键部件的可靠性设计，仍然是基于“疲劳极限”概念的无 限寿命设计理论。 因此，研究高速、重载列车关键结构材料疲劳可靠性数据构建方法，不仅对解决现实的高 速重载列车的运输安全具有重要意义，同时对疲劳可靠性理论的发展具有重要的推动作用。 高校国防科研管理的探讨 刘朝晖 ｌ 国防科研发展的规律 国防科技是一个国家整个科学技术的重要组成部分，它的发展具有科学技术发展的普遍 作者简介：刘朝晖，女，副研究员。 ・（科技处） ２７ ・
