王玉輝 李志平 高艷艷

摘要：本文建立了高速動(dòng)車組空心車軸的有限元模型，并且給出了動(dòng)車組空心車軸超聲波探傷作業(yè)時(shí)的處理分析。

關(guān)鍵詞：高速動(dòng)車組；空心車軸；超聲波探傷

1、概述

現(xiàn)代高速列車的速度越來越快，輪軌所受到的動(dòng)應(yīng)力將明顯增大。我國現(xiàn)代高速動(dòng)車組都是采用空心車軸，主要目的就是當(dāng)速度提高時(shí)會(huì)帶來很大的震動(dòng)和沖擊力，為了減小這種傷害，就必須減輕車輛輪對的簧下質(zhì)量。一旦動(dòng)車組車軸受到損傷，就可能造成車毀人亡的嚴(yán)重后果。在實(shí)際中車軸的損傷大部分都是由疲勞引起的[1]。雖然車軸損傷大部分都是由疲勞引起的，屬于疲勞構(gòu)件，但在動(dòng)車組運(yùn)行過程當(dāng)中經(jīng)常存在意外的損傷，比如高速運(yùn)行時(shí)會(huì)有較大的尖銳硬物撞擊車軸，就可能對車軸造成較深的切口，切口不被發(fā)現(xiàn)或處理，車軸裂紋就可能進(jìn)一步擴(kuò)展，最終造成車軸斷裂，釀成悲劇。因此對高速動(dòng)車組空心車軸裂紋擴(kuò)展的分析研究是很有必要的。

在國外，高速鐵路已經(jīng)有了幾十年的運(yùn)營歷史。德國是最早制造和使用動(dòng)車組的國家，制造技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。常見的動(dòng)車組有日本新干線、德國 ICE、法國 TGV 等等。這些國家對空心車軸的研究比較早。上面的這些國家都建立了完善的空心車軸的檢測系統(tǒng)，保證了車軸的運(yùn)行安全。在我國，高速鐵路技術(shù)越來越成熟，對于高速動(dòng)車組空心車軸的研究也有一定進(jìn)展，并取得了一定成績。

2、建立高速動(dòng)車組空心車軸有限元模型[2]

高速動(dòng)車組的動(dòng)力形式可分為動(dòng)力集中和動(dòng)力分散兩種，動(dòng)力分散又分為動(dòng)力完全分散和相對分散。動(dòng)力完全分散的動(dòng)車組全是動(dòng)車，動(dòng)力相對分散的動(dòng)車組既有動(dòng)車又有拖車，因此輪對既有動(dòng)力輪對，又有非動(dòng)力輪對。根據(jù)動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)可知，動(dòng)力車轉(zhuǎn)向架有牽引電機(jī)，牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪箱，車軸轉(zhuǎn)動(dòng)，車軸上還有兩個(gè)制動(dòng)盤；非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架只安裝兩個(gè)或三個(gè)制動(dòng)盤，因此非動(dòng)力車軸比動(dòng)力車軸暴露在外面惡劣環(huán)境的機(jī)會(huì)跟大，受到外界硬物的撞擊的可能性也跟大，因此在這里分析非動(dòng)力車軸，并對空心車軸建立模型。

根據(jù)計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)可知空心車軸表面的應(yīng)力分布狀態(tài)，對于空心車軸表面應(yīng)力最大部分分布在輪對制動(dòng)盤和輪對車輪靠左中間。為了更好的建立空心車軸的有限元模型，在車軸應(yīng)力最大部位設(shè)置一個(gè)異物的損傷缺口，位于空心車軸的中段。根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)得知空心車軸的實(shí)際尺寸，將實(shí)際尺寸用SOLLD95劃分網(wǎng)格，采點(diǎn)30節(jié)點(diǎn)，然后開始加載空心車軸輪對的有限元模型。

為了分析車軸表面應(yīng)力分布，采用EN13103標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的恒幅疲勞載荷考慮車軸最危險(xiǎn)的載荷情況，根據(jù)EN13103標(biāo)準(zhǔn)對空心軸有限元模型進(jìn)行加載，在左側(cè)輪對施加全約束，然后進(jìn)行車軸斷面應(yīng)力分析。

3、動(dòng)車組空心車軸超聲波探傷處理分析

動(dòng)車組空心車軸探傷管理信息系統(tǒng)采用基于TCP/IP的Soap協(xié)議，通過開放Web Service，用于接收配屬于各動(dòng)車基地、所的動(dòng)車組空心車軸超聲波探傷設(shè)備的性能校驗(yàn)記錄、探傷檢測數(shù)據(jù)、缺陷記錄、設(shè)備運(yùn)行記錄、設(shè)備維修記錄、配件更換記錄等信息，并加以整合統(tǒng)計(jì)。然后以一定的組織方式、按權(quán)限分配通過各計(jì)算機(jī)上的Web瀏覽器展示給予各鐵路部門，以便于各部門統(tǒng)一、科學(xué)、有效地對動(dòng)車組空心車軸超聲波探傷設(shè)備的運(yùn)用進(jìn)行管理。

根據(jù)鐵路部門作業(yè)管理要求、檢修車間數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定性、車軸探傷專業(yè)性較強(qiáng)等特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，以下對重要功能模塊進(jìn)行描述：

1） 自動(dòng)接收模塊：接收從空心車軸探傷設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，此模塊需要考慮網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)量較大的問題，在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時(shí)需要及時(shí)清除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或者進(jìn)行數(shù)據(jù)重轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)正常接收的情況下要根據(jù)作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行數(shù)據(jù)插入。

2） 數(shù)據(jù)交換互模塊通過該模塊，本系統(tǒng)可以與其他系統(tǒng)進(jìn)行車組、車軸、作業(yè)計(jì)劃、探傷記錄、車軸缺陷記錄等數(shù)據(jù)的信息交換。

3） 作業(yè)計(jì)劃管理：目前動(dòng)車所進(jìn)行探傷作業(yè)的作業(yè)計(jì)劃大部分是技術(shù)專職通過手動(dòng)方式，需要結(jié)合較多的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷生成的，需要花費(fèi)較多的精力，而且出錯(cuò)的可能性較大。為了幫助技術(shù)專職較快完成作業(yè)排班，本系統(tǒng)通過結(jié)合各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提供探傷預(yù)警功能，按照技術(shù)專職的要求，可以較快地生成作業(yè)計(jì)劃。

4） 電子會(huì)簽功能：在此之前，各項(xiàng)作業(yè)記錄、設(shè)備的性能校驗(yàn)記錄、設(shè)備的維修記錄、缺陷報(bào)告等，需要從主管副段長、所長至探傷工、輔助工等各方人員進(jìn)行現(xiàn)場會(huì)簽，組織難度大，花費(fèi)時(shí)間長，而且是紙質(zhì)版的。不但占用存放空間、浪費(fèi)了大量時(shí)間，而且耗費(fèi)了人力、精力，具有非常低的性價(jià)比。本系統(tǒng)具備的電子會(huì)簽功能可以解決該困難，使相關(guān)人員從這些事務(wù)中掙脫出來。

5） 作業(yè)控制流程： 從作業(yè)計(jì)劃生成、下發(fā)、作業(yè)執(zhí)行、記錄上報(bào)、記錄確認(rèn)、記錄審核、缺陷二次分析、數(shù)據(jù)顯示等各個(gè)環(huán)境節(jié)，本系統(tǒng)都為其設(shè)計(jì)了過程控制，保證數(shù)據(jù)使用的合法性。

6） 權(quán)限規(guī)劃：為了防止數(shù)據(jù)被非法訪問，本系統(tǒng)從橫向和縱向?qū)Ω鞣饺藛T的角色類型進(jìn)行了細(xì)致的規(guī)劃，同時(shí)采用靈活多變的權(quán)限分配方式，各個(gè)段所可以按需求對各個(gè)崗位人員的權(quán)限進(jìn)行分配。從縱向來看，按行政級別，各層級只能訪問本層級及其下層級的數(shù)據(jù)，而下層級無權(quán)限訪問上層級的數(shù)據(jù)。從橫向來看每一個(gè)工種按其業(yè)務(wù)進(jìn)行角色劃分，各人員可以具有某個(gè)或者某幾個(gè)角度，保證各業(yè)務(wù)人員只在其業(yè)務(wù)范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)查看和操作。

7） 數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)的展示功能：可以按人員、設(shè)備、被檢測對象（按車組、按車軸）進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄的展示，對各鐵路分公司的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸并、整合，然后按特定的要求進(jìn)行展示。

8） 二次分析服務(wù)功能：探傷人員在檢測車軸時(shí)如果發(fā)現(xiàn)帶缺陷的車軸但任然對自己的判斷存在疑問時(shí)，可以將有疑問的探傷數(shù)據(jù)發(fā)送給資深專家進(jìn)行二次分析，資深專家可以在平臺上提出意見和建議。

4、總結(jié)

高速動(dòng)車組空心車軸裂紋缺陷的預(yù)測、及時(shí)的預(yù)防，對高速動(dòng)車組安全、快速運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。動(dòng)車組空心車軸探傷是動(dòng)車組運(yùn)用檢修體系的重要組成部分。建立動(dòng)車組空心車軸探傷管理信息系統(tǒng)對于空心車軸超聲波探傷設(shè)備高效安全運(yùn)用，及時(shí)快速處理有缺陷車軸具有重要意義。（作者單位：湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

基金項(xiàng)目《湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目：《高速動(dòng)車組空心車軸疲勞裂紋擴(kuò)展分析與剩余壽命預(yù)測研究》（13C595）》

參考文獻(xiàn)：

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[2]周素霞， 高速列車空心車軸損傷容限理論與方法研究[J]. 北京交通大學(xué). 2009.

[3]中國鐵路總公司運(yùn)輸局.《和諧系列動(dòng)車組空心車軸超聲波探傷規(guī)程》鐵總運(yùn) 2013號 文件.