安中偉，趙方偉

（1 鐵道第三勘察設(shè)計院 機車車輛所，天津300142；2 北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京100044）

貨車車體疲勞試驗載荷譜編制方法研究

安中偉1，趙方偉2

（1 鐵道第三勘察設(shè)計院 機車車輛所，天津300142；2 北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京100044）

以C70車體為研究對象，實測得到車體載荷數(shù)據(jù)和疲勞關(guān)鍵部位的應(yīng)力數(shù)據(jù)。對實測數(shù)據(jù)用于車體臺架疲勞試驗的載荷譜編制方法進行了研究，提出了利用車體載荷和應(yīng)力同步響應(yīng)關(guān)系編制疲勞試驗載荷譜的方法。依據(jù)損傷等效原則，剔除了對車體損傷無貢獻的小應(yīng)力循環(huán)，簡化濃縮了應(yīng)力時間歷程。利用載荷和應(yīng)力測試的同步性，對實測載荷時間歷程進行簡化和濃縮，編制了適用于車體臺架疲勞試驗的載荷譜。結(jié)合累積損傷理論，對比分析了濃縮前后車體疲勞損傷，驗證了該方法的可行性和準確性。

貨車車體；疲勞試驗；載荷譜；損傷

近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，鐵路貨運量大幅增長，鐵路貨車車體結(jié)構(gòu)疲勞斷裂問題日益突出。貨車車體的疲勞可靠性問題是制約貨車裝備技術(shù)提升的關(guān)鍵因素。目前研究車體疲勞可靠性的主要方法包括仿真計算、線路實測試驗和模擬疲勞試驗［1］。仿真計算方便、快捷、成本低，但只能對疲勞可靠性進行趨勢性分析和驗證。線路試驗可以反映車體的真實工況，但試驗周期長、成本高。模擬疲勞試驗可以用較短的周期、較高的效率來進行試驗。模擬疲勞試驗是以線路實測振動信號作為激勵信號，利用室內(nèi)疲勞試驗臺對整車進行疲勞加載試驗，真實的再現(xiàn)車體在線路運行時載荷對車體的影響［2］。進行疲勞試驗的關(guān)鍵是編制科學、準確的試驗載荷譜。

文獻［3］提出了試驗臺載荷譜編制原則，設(shè)定門檻值為12%以消除小載荷的方法。文獻［4］在小載荷壓縮中根據(jù)實際提出了18%的門檻值。兩者研究的均為摩托車疲勞試驗臺載荷譜編制，并未驗證小載荷消除前后損傷等效原則。

分析線路實測應(yīng)力時間歷程，研究小應(yīng)力循環(huán)對貨車車體損傷情況，濃縮應(yīng)力時間歷程，利用車體載荷與應(yīng)力的實測同步對應(yīng)關(guān)系，簡化濃縮載荷時間歷程，剔除不產(chǎn)生損傷的載荷時間，編制貨車車體疲勞試驗載荷譜?；谄趽p傷等效原則對該試驗載荷譜編制方法的可行性和準確性進行驗證。

1 線路載荷譜試驗

以通用線70t級敞車為研究對象進行線路實測試驗。通過綜合分析車體有限元靜力計算結(jié)果及車體應(yīng)力集中的復雜焊縫結(jié)構(gòu)特征和運營中車體常出現(xiàn)疲勞裂紋的位置，確定疲勞關(guān)鍵部位。測試線路為北京到哈爾濱的鐵路通用線［5］。布置測力車鉤傳感器用來測試車體縱向載荷，心盤傳感器測試車體心盤垂向載荷，測力旁承傳感器測試車體側(cè)滾和扭轉(zhuǎn)載荷。車體底架焊接疲勞關(guān)鍵部位布置應(yīng)變計以測試應(yīng)力。應(yīng)變計布置位置如圖1所示。

利用德國IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測試信號數(shù)據(jù)，載荷和應(yīng)力信號完全同步采集是編制疲勞試驗載荷譜的前提。將測試載荷和應(yīng)力信號數(shù)據(jù)進行系數(shù)轉(zhuǎn)化、零漂、濾波等預(yù)處理獲得干凈無干擾的真實信號［6］。

2 試驗載荷譜編制

2.1 濃縮應(yīng)力時間歷程

在實際運營條件下，對車體損傷影響較小的載荷占了較大比例。應(yīng)力是載荷作用在車體上的響應(yīng)，載荷通過應(yīng)力來影響結(jié)構(gòu)的疲勞特性。由于測試時間上的同步性，將線路試驗采集的應(yīng)力時間歷程簡化和濃縮，通過去除無效的應(yīng)力小循環(huán)，可同步的去除對車體結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生損傷的無效載荷作用時間段，達到簡化線路測試載荷時間歷程編制車體臺架試驗載荷譜的目的。因此，通過濃縮應(yīng)力時間歷程來濃縮載荷時間歷程。

試驗中布置的應(yīng)變計分別是各工況作用下車體應(yīng)力較大的部位，通過多應(yīng)力點同時濃縮應(yīng)力時間歷程，可保留對車體造成損傷的各種載荷，真實的在臺架試驗?zāi)M車體的實際受載形式。

濃縮應(yīng)力時間歷程首先要確定各應(yīng)力測點焊接結(jié)構(gòu)的疲勞截止極限ΔσL。依據(jù)焊接接頭疲勞評價標準BS EN 1993《鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計與評估》標準確定車體焊縫的疲勞截止極限［7］。

圖2為不同焊接接頭形式的S－N曲線，參照實際要評價的接頭形式，選取對應(yīng)的曲線類型，就可以獲得相應(yīng)的疲勞截止極限。

名義應(yīng)力范圍下材料的疲勞強度是由S－N曲線表示的，每條曲線對應(yīng)一種典型焊接結(jié)構(gòu)。每種焊接結(jié)構(gòu)被指定一個ΔσL值，它代表結(jié)構(gòu)在2×106次應(yīng)力循環(huán)下對應(yīng)的許用應(yīng)力范圍。常用的S－N曲線為兩段式延伸疲勞強度曲線。

當NR≤5×106時，m＝3，表達式為

當5×106≤NR≤108時，m＝5，表達式為

式中ΔσD為恒幅載荷疲勞極限。

式中ΔσL為截止疲勞極限。

利用式（3）、式（4）可求得各應(yīng)力測點的截止疲勞極限?；诎踩紤]，車體焊接結(jié)構(gòu)的疲勞截止極限均選取ΔσL＝22.66 MPa，高于該值的應(yīng)力循環(huán)定義為有效的應(yīng)力循環(huán)，否則為無效的應(yīng)力循環(huán)，將其剔除。

利用雨流計數(shù)法對應(yīng)力時間歷程進行循環(huán)統(tǒng)計［8］。在雙參數(shù)雨流計數(shù)法的基礎(chǔ)上，引入時間的概念，構(gòu)成時間、峰值和谷值3參數(shù)雨流計數(shù)法。通過3參數(shù)計數(shù)法統(tǒng)計出任何一個循環(huán)的起止時間和應(yīng)力范圍。

圖3為試驗過程中某應(yīng)力測點的一段應(yīng)力時間歷程。

利用3參數(shù)雨流計數(shù)法對該段應(yīng)力時間歷程進行統(tǒng)計分析，結(jié)果列于表1。

從表1看到每個應(yīng)力循環(huán)峰值和谷值的時刻被有效記錄，根據(jù)峰谷值可以計算循環(huán)的應(yīng)力范圍，根據(jù)應(yīng)力范圍與疲勞截止極限的關(guān)系，可以判斷應(yīng)力循環(huán)是否有效。

對圖3所示數(shù)據(jù)段進行濃縮，如圖4所示，陰影部分為剔除的數(shù)據(jù)。

以每個應(yīng)力循環(huán)的峰值和谷值為中心線，分別向兩側(cè)擴展時間Δt（Δt為一個應(yīng)力循環(huán)的平均作用時間），用于保留一個完整的應(yīng)力循環(huán)。各測點的應(yīng)力循環(huán)作用時間大致為0.5 s，選取Δt＝0.5 s。剔除無效循環(huán)后的結(jié)果如圖5所示。

2.2 濃縮載荷時間歷程

刪除無效的應(yīng)力循環(huán)時間段時，同步刪除對應(yīng)時間段的載荷數(shù)據(jù)，編制有效、準確的試驗載荷譜。圖6為車鉤縱向載荷時間歷程濃縮前后對比圖。

線路實測時長約為93 h，數(shù)據(jù)原始長度為334 800 s。濃縮后時間長度為1 818 s，只保留了原始數(shù)據(jù)的0.54%左右，各載荷的極值沒有改變，載荷較大的時刻均被有效的保留。

3 載荷譜有效性驗證

3.1 應(yīng)力時間歷程有效性驗證

濃縮應(yīng)力時間歷程的方法是刪除不產(chǎn)生損傷的應(yīng)力循環(huán)，依據(jù)損傷等效原則，濃縮前后的應(yīng)力時間歷程產(chǎn)生相同的損傷。

根據(jù)圖2所示S－N曲線，依據(jù)濃縮前后的應(yīng)力譜分段計算損傷。

當NR≤5×106時，結(jié)合式（1），可得折線第1段損傷Di

當5×106≤NR≤108時，結(jié)合式（2），可得折線第2段損傷D′i

最后根據(jù)線性累積損傷原則，對應(yīng)力譜的數(shù)據(jù)分別按以上過程進行計算，從而得出計算部位的總損傷為

式中nEi為表示第i應(yīng)力級的循環(huán)數(shù)；NRi、N′Ri為第i級應(yīng)力水平下達到疲勞破壞的循環(huán)數(shù)。

根據(jù)疲勞損傷累計理論計算的各測點應(yīng)力損傷見圖7。從圖7可以看出，各應(yīng)力測點濃縮前后損傷基本相同，差別最大的2號測點，誤差控制在1.55%以內(nèi)，符合損傷等效原則，說明濃縮應(yīng)力時間歷程的方法合理。

3.2 載荷時間歷程有效性驗證

濃縮載荷時間歷程的方法是刪除不產(chǎn)生損傷的無效載荷，驗證濃縮載荷時間的方法合理的依據(jù)是濃縮前各分載荷對車體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷保持一致。

載荷譜濃縮前后，對同一應(yīng)力測點利用式（5）和式（6）進行車鉤、浮沉、扭轉(zhuǎn)以及側(cè)滾載荷譜的分損傷計算，將各載荷造成的損傷累積相加得到該測點總損傷。計算結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出，濃縮前后載荷對車體各應(yīng)力測點的損傷基本保持一致，測點2差別最大的2號測點，誤差控制在10%以內(nèi)，在允許的車體設(shè)計壽命范圍內(nèi)，滿足損傷等效原則，說明濃縮載荷時間歷程的方法準確、合理。

對比圖7和圖8可以看出，利用應(yīng)力譜和載荷譜分別計算的車體損傷基本相同，也進一步驗證了利用濃縮應(yīng)力時間歷程來編制貨車車體試驗臺載荷譜的方法準確性。

4 結(jié) 論

以C70車體為研究對象，線路實測了車體載荷數(shù)據(jù)和疲勞關(guān)鍵部位應(yīng)力數(shù)據(jù)。剔除了對損傷無貢獻的應(yīng)力循環(huán)，簡化濃縮了應(yīng)力時間歷程，利用載荷和應(yīng)力測試的同步性，濃縮了載荷時間歷程，編制了車體臺架試驗載荷譜，依據(jù)累積損傷理論計算了濃縮前后造成的損傷，得到如下結(jié)論：

（1）各應(yīng)力測點濃縮前后損傷基本相同，最大誤差控制在1.55%以內(nèi)，符合損傷等效原則。

（2）通過對大量數(shù)據(jù)分析，得出對車體產(chǎn)生損傷的載荷時間只占了整個載荷時長的0.54%左右。實際測試中，對貨車車體造成損傷的循環(huán)數(shù)占了很小一部分。

（3）濃縮前后載荷對車體各應(yīng)力測點的損傷基本保持一致，最大誤差控制在10%以內(nèi)，在允許的車體設(shè)計壽命范圍內(nèi)，滿足損傷等效原則，驗證了依據(jù)應(yīng)力編制試驗臺載荷譜方法的合理性。

［1］ 劉震濤，劉宏瑞，葉 曉，等.發(fā)動機連桿拉壓模擬疲勞試驗臺研制［J］.機電工程，2011，28（6）：653-658.

［2］ 張 恒.大秦線2萬噸重載列車車體模擬線路加載疲勞試驗載荷譜研究［D］.北京交通大學，2010.

［3］ 平 安，王德俊.隨機疲勞載荷的處理及載荷譜編制原則［J］.東北大學學報，1994，15（4）：327-331.

［4］ 張迎輝，單麗君，何衛(wèi)東.摩托車疲勞試驗臺載荷譜編制［J］.大連鐵道學院學報，2004，25（4）：39-42.

［5］ 謝基龍.載重70 t級鐵路貨車通用線路載荷譜試驗大綱［R］.北京交通大學，2012.

［6］ 周素霞，謝基龍，趙方偉，等.基于概率分布函數(shù)的動車組車軸應(yīng)力譜試驗分析［J］.中國鐵道科學，2013，34（2）：95-98.

［7］ BS EN 1993-1-9 Eurocode3：Design of steel structures-Part1-9：Fatigue［S］.

［8］ DOWNING S D，SOCIE D F.Simple rainflow counting algorithms［J］.International Journal of Fatigue，1982，（1）：31-40.

Study on Load Spectrum Compiling Method of Wagon Carbody Fatigue Test

AN Zhongwei1，ZHAO Fangwei2
（1 The Third Railway Survey and Design Institute，Tianjin 300142，China；2 School of Mechanical，Electronic Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

C70 carbody is taken as the research object.The car body load data is obtained by load test as well as the stress data of fatigue critical parts.The method of utilizing the measured data for compiling fatigue test load spectrum is studied，and the way of using relationship of carbody load and stress response for compiling fatigue test load spectrum is put forward.According to the damage equivalent principle，the small stress cycle which has no contribution to carbody damage is cut out，and stress time history is simplified and concentrated.By using synchronicity of load and stress test，load time history is concentrated as well.Combining with the cumulative damage theory，the carbody fatigue damage before and after concentration is analyzed in comparison.The feasibility and accuracy of this method is verified.

wagon carbody；fatigue test；load spectrum；damage

U272.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.13

1008－7842（2014）06－0054－04

7—）男，助理工程師（

2014－05－07）