張建超， 郝如江， 武 哲

(1. 北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044；2. 石家莊鐵道大學(xué)工程訓(xùn)練中心，河北 石家莊 050043；3. 石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

列車轉(zhuǎn)向架側(cè)架聲發(fā)射檢測的有限元仿真與試驗

張建超1,2， 郝如江3， 武 哲1

(1. 北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044；2. 石家莊鐵道大學(xué)工程訓(xùn)練中心，河北 石家莊 050043；3. 石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

側(cè)架作為列車轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)疲勞性能和裂紋狀態(tài)直接決定著機(jī)車車輛的運行安全。首先從側(cè)架檢修時易出現(xiàn)疲勞裂紋的典型位置入手，提出采用聲發(fā)射技術(shù)的必要性；其次集合UG、HyperMesh、ANSYS/LS-DYNA 3種有限元軟件的三維建模方法，對聲發(fā)射信號在側(cè)架中的傳播特性進(jìn)行仿真和可視化；最后依據(jù)仿真分析結(jié)果提出試驗方案，并搭建側(cè)架結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射斷鉛試驗系統(tǒng)。檢驗了聲發(fā)射技術(shù)在鐵路大型復(fù)雜構(gòu)件上應(yīng)用的可行性。

聲發(fā)射；側(cè)架；波速；聲波；斷鉛試驗

轉(zhuǎn)向架作為列車的走行部，起到支承車體、轉(zhuǎn)向和制動的作用，保證機(jī)車車輛在軌道上安全平穩(wěn)地運行。在運行中轉(zhuǎn)向架長期承受復(fù)雜多變的外力，可導(dǎo)致其主要受力部件產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重威脅行車安全。目前國內(nèi)外機(jī)車車輛制造與運用部門針對轉(zhuǎn)向架的定期檢查主要采用超聲波探傷

法、磁粉探傷法、滲透探傷法等幾種方法，這些方法適用于檢查靜態(tài)下的裂紋等缺陷，但無法完成承載與運動狀態(tài)下裂紋的萌生、擴(kuò)展、斷裂情況的檢測。

聲發(fā)射技術(shù)是根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)出的應(yīng)力波判斷材料內(nèi)部損傷程度的一種無損檢測方法，已經(jīng)應(yīng)用于航天、石油、電力等領(lǐng)域[1-2]。國內(nèi)外采用聲發(fā)射技術(shù)用于列車轉(zhuǎn)向架檢測的報導(dǎo)多見于軸承、齒輪故障檢測方面，而對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架檢測的聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用卻鮮于報導(dǎo)[3-5]。本文探討采用聲發(fā)射技術(shù)對列車轉(zhuǎn)向架主要構(gòu)件進(jìn)行無損檢測的可行性，以期通過仿真和試驗分析驗證該技術(shù)能夠及時有效地監(jiān)測并識別裂紋的位置。

1 側(cè)架結(jié)構(gòu)及其建模

側(cè)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜且外形不規(guī)范，其裂紋檢測比理想的梁、柱、板結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，同時聲發(fā)射產(chǎn)生的彈性波在側(cè)架結(jié)構(gòu)傳播中會演變?yōu)槎喾N頻率和模態(tài)的復(fù)雜信號，致使應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行側(cè)架檢測更加困難。由此提出應(yīng)用有限元仿真方法模擬聲發(fā)射信號在側(cè)架中傳播及邊界反射過程，研究其傳播特性以指導(dǎo)試驗方案的設(shè)計。

1.1 側(cè)架結(jié)構(gòu)及典型裂紋位置

我國鐵路轉(zhuǎn)向架有多種型號，其中貨車轉(zhuǎn)8AG型轉(zhuǎn)向架為典型的鑄鋼三大件式(2個側(cè)架和1個搖枕)轉(zhuǎn)向架，主要由輪對及軸承裝置、搖枕、側(cè)架、彈簧減振裝置、基礎(chǔ)制動裝置等5部分組成，結(jié)構(gòu)簡單、檢修方便[6]。本文主要針對側(cè)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，如圖1所示。

由于轉(zhuǎn)向架在運行中承受垂直靜載荷、垂直動載荷、車體側(cè)向力引起的附加垂直載荷，側(cè)向力所引起的水平載荷以及制動時引起的載荷等多種載荷。側(cè)架作為鋼鑄件，往往存在鑄造缺陷，例如氣孔、砂眼和冷隔等，以及粗糙表面帶有型砂、熔渣、氧化皮等雜質(zhì)，這些特征可能會在復(fù)雜多變的載荷下生成疲勞裂紋。在側(cè)架檢修時多發(fā)裂紋的部位主要在導(dǎo)框彎角處、承載鞍與側(cè)架結(jié)合處、三角孔周邊及內(nèi)腔等處，其裂紋標(biāo)記位置如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)8AG型轉(zhuǎn)向架側(cè)架

圖2 側(cè)架典型裂紋位置

側(cè)架的裂紋必將影響到結(jié)構(gòu)使用性能，并危及機(jī)車車輛的行駛安全，但這些裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展即使發(fā)展到最終階段，結(jié)構(gòu)件也不會產(chǎn)生明顯的永久變形和突發(fā)征兆。與振動信號相比較，聲發(fā)射信號作為材料內(nèi)部能量釋放的一種彈性波，能夠更好地表征物體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的狀態(tài)變化，特別是針對結(jié)構(gòu)早期微弱故障的檢測具有獨特優(yōu)勢，因此提出采用聲發(fā)射無損檢測方法。

1.2 應(yīng)用UG軟件建立側(cè)架實體模型

Unigraphics(UG)基于完全的三維實體復(fù)合造型、特征建模、裝配建模技術(shù)，能設(shè)計出各種復(fù)雜的產(chǎn)品模型，具有強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計功能，能夠很好地表達(dá)設(shè)計意圖，易于修改參數(shù)化模型[7]。側(cè)架屬于箱型薄壁的鑄鋼結(jié)構(gòu)，其各部分?jǐn)嗝嫘问綖橄湫突虿坌?，因此建立該結(jié)構(gòu)三維模型時，需詳細(xì)建立彎角部位和截面的過渡結(jié)構(gòu)。特別是作為本文重點關(guān)注的軸箱導(dǎo)框內(nèi)彎角處，其結(jié)構(gòu)斷面是由箱型過渡到工字型。但是建立的三維模型中并非包含了側(cè)架結(jié)構(gòu)的所有細(xì)節(jié)，在保證模型與側(cè)架幾何形狀不變的前提下，去掉那些對聲波傳播影響甚微的造型細(xì)節(jié)，比如建模時略去了在側(cè)架鋼鑄件上后期焊接的支撐座、磨耗板等部分。建立的側(cè)架實體模型如圖3所示。

圖3 側(cè)架實體模型

1.3 應(yīng)用HyperMesh軟件劃分網(wǎng)格

HyperMesh軟件具有強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格劃分前處理功能，與各種CAD軟件具有良好的集成性，支持很多不同的求解器輸入輸出格式。將建立的側(cè)架三維實體模型導(dǎo)入到HyperMesh中，在高度交互及可視化的環(huán)境下進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖 4所示。選用的SOLID164單元為8節(jié)點的體單元，每個節(jié)點具有在x、y、z方向的平移、速度和加速度的自由度。采用有限元方法分析聲波傳播，對于模型的網(wǎng)格劃分要求較高，網(wǎng)格劃分的密度設(shè)置至少為聲波最短波長的十分之一。在保證計算精度的前提下，對重點關(guān)注區(qū)段進(jìn)行了局部網(wǎng)格劃分，以提高計算效率，并采用網(wǎng)格檢查指標(biāo)的方式剔除了不合格網(wǎng)格。在劃分好有限元網(wǎng)格后，可以直接轉(zhuǎn)化成LS-DYNA3D求解器文件格式。

圖4 側(cè)架網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值仿真分析

裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的聲波是一種彈性波，該聲發(fā)射信號類似于Hsu-Nielsen斷鉛信號。因此，本文以斷鉛試驗為手段模擬側(cè)架結(jié)構(gòu)的斷裂損傷事件，進(jìn)行聲發(fā)射特征參數(shù)和損傷源定位的試驗研究[8]。應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件仿真?zhèn)燃芙Y(jié)構(gòu)在Hsu-Neilsen斷鉛沖擊荷載下的動力響應(yīng)過程，通過分析聲波的傳播云圖和時程曲線，最終得到聲波波速的仿真結(jié)果。

2.1 應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件求解

ANSYS/LS-DYNA軟件是著名的通用顯式動力分析程序，適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題，同時可以求解傳熱、流體及流固耦合問題。

為產(chǎn)生與斷鉛試驗相近似的波形，仿真模型加載式(1)所示的變激勵力[9]

式中，τ為聲發(fā)射源釋放能量的時間，取τ = 1.5μs ；t為計算時間。

側(cè)架結(jié)構(gòu)的危險點主要包含導(dǎo)框彎角處、承載鞍與側(cè)架結(jié)合處、三角孔周邊及內(nèi)腔等高應(yīng)力區(qū)域點和低疲勞壽命區(qū)域點。

本文以側(cè)架導(dǎo)框彎角處產(chǎn)生裂紋為例：選擇圖2(a)導(dǎo)框彎角處一點作為斷鉛位置，將該節(jié)點生成 Component，依據(jù)式(1)建立的載荷時間與載荷數(shù)值的數(shù)組值進(jìn)行外力的施加；在輸出控制中，計算時間選取2 000 μs，計算步數(shù)取1 000；生成k

文件。鑒于計算機(jī)內(nèi)存大小需求，一般需在計算機(jī)中新建一個系統(tǒng)變量：LSTC_MEMORY，值為AUTO后求解，進(jìn)入“LS-PREPOST”后處理模塊。

2.2 仿真結(jié)果

在“LS-PREPOST”后處理模塊中，可以實現(xiàn)側(cè)架結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射信號產(chǎn)生、傳播的可視化過程，并可得到聲波的位移、速度與加速度傳播云圖和時程曲線。如圖5(a)～(c)分別為某時刻的側(cè)架結(jié)構(gòu)z方向位移、速度與加速度云圖；圖6為4個節(jié)點x方向的振動速度時程圖(節(jié)點139 886、161 594、133 280、123 155分別對應(yīng)于圖7中傳感器a、b、c、d中心位置)，可計算出聲波縱波波速的仿真值為5 420 m/s。

圖5 側(cè)架某時刻z方向位移、速度與加速度云圖

圖6 4個節(jié)點x方向的振動速度時程圖

以聲發(fā)射信號產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性仿真為基礎(chǔ)，設(shè)計出側(cè)架聲發(fā)射傳播特性試驗方案，優(yōu)化傳感器的數(shù)量與布置，以實現(xiàn)應(yīng)用較少數(shù)量的傳感器實現(xiàn)特定區(qū)域以及全局檢測，從而為轉(zhuǎn)向架主體結(jié)構(gòu)的安全評估和健康診斷提供依據(jù)。

3 試驗情況

3.1 試驗過程

在仿真分析的基礎(chǔ)上，搭建了側(cè)架結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射斷鉛試驗系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 側(cè)架聲發(fā)射斷鉛試驗現(xiàn)場

(1) 采用北京軟島時代科技有限公司的 DS2系列全信息聲發(fā)射信號分析系統(tǒng)，參數(shù)設(shè)定：采樣頻率1 MHz，a、b、c處門檻值為10 mV，d處門檻值為2 mV，前置放大器增益40 dB，峰值鑒別時間、撞擊鑒別時間和撞擊閉鎖時間分別是500 μs、2 000 μs和2 000 μs。

(2) 傳統(tǒng)的聲發(fā)射測試需要對傳感器安放位置的結(jié)構(gòu)接觸面進(jìn)行打磨，本試驗為了減少對側(cè)架本體的破壞并提高檢測效率，嘗試采用不打磨接觸面，直接涂抹耦合劑后固定傳感器的方法檢驗其可行性。

(3) 傳感器型號SR150M，中心頻率0.15 MHz，頻率帶寬60～400 kHz，靈敏度峰值＞75 dB。常用的聲發(fā)射源定位傳感器陣列為三角形，在被檢測對象幾何形狀規(guī)則的情況下，采用等腰三角形排列，對于幾何形狀不規(guī)則時采用任意三角形排列[6]。鑒于側(cè)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適當(dāng)增加傳感器數(shù)量以優(yōu)化檢測結(jié)果，具體位置見圖7中a、b、c、d處。

(4) 按照Nielsen-Hsu 斷鉛法的要求，采用直徑0.5 mm的HB筆芯斷鉛來模擬聲發(fā)射源，選擇側(cè)架導(dǎo)框彎角處一點(圖7中o點)作為斷鉛位置，斷開鉛芯長度為2.5 mm，斷鉛方向與被檢件表面成30°角。

3.2 試驗結(jié)果

圖 8為試驗采集到的斷鉛試驗的一次斷鉛信號的4個通道的數(shù)據(jù)圖。

圖8 斷鉛試驗的信號數(shù)據(jù)圖

采用時差定位法經(jīng)過多次試驗測得聲波的縱波速度試驗值為5 060 m/s，與縱波速度的理論值5 910 m/s、仿真值5 420 m/s相比較，三者具有一定偏差。究其原因，是因受到結(jié)構(gòu)形狀尺寸、材料類型、傳感器頻響特性及傳播衰減等因素的影響，這 3個速度值均不具有權(quán)威性，致使采用單一類型數(shù)據(jù)進(jìn)行時差定位，必然出現(xiàn)難以精確定位的局限性。因此提出融合了這 3種波速的時差定位方法，可以方便、快捷地實現(xiàn)側(cè)架結(jié)構(gòu)聲發(fā)射源的區(qū)域定位。

4 結(jié) 束 語

綜上所述，通過對采用 3種有限元軟件有機(jī)結(jié)合方法建立的有限元模型的分析，可以實現(xiàn)對側(cè)架這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)及外形不規(guī)范的結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲波仿真，能夠?qū)崿F(xiàn)直觀地分析聲發(fā)射信號的傳播過程，并且為聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于側(cè)架結(jié)構(gòu)裂紋檢測現(xiàn)場提供方案指導(dǎo)和技術(shù)支持。隨著我國高速鐵路的逐步興起和快速發(fā)展，高速動車組轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)必將在運營和檢修中面臨新的問題和挑戰(zhàn)，希望將聲發(fā)射技術(shù)逐步引入到國內(nèi)機(jī)車車輛制造與運用部門，為轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件的現(xiàn)場檢修提供一種新的、穩(wěn)定的、便于操作的檢測手段。

[1] 沈功田. 聲發(fā)射檢測技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2015: 1-20.

[2] Holford K M, Pullin R, Evans S L, et al. Acoustic em ission for monitoring aircraft structures [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, 2009, 223(5): 525-532.

[3] Степанова Л Н, 謝小海. 擴(kuò)大聲發(fā)射法診斷機(jī)車車輛鑄件的范圍[J]. 國外機(jī)車車輛工藝, 2011, (4): 42-45.

[4] 郝如江, 盧文秀, 褚福磊. 聲發(fā)射檢測技術(shù)用于滾動軸承故障診斷的研究綜述[J]. 振動與沖擊, 2008, 27(3): 75-79.

[5] Qu Y Z, Hecke B V, He D, et al. Gearbox fault diagnostics using AE sensors w ith low sampling rate [J]. Journal of Acoustic Em ission, 2013, 31(1): 67-90.

[6] TB/T 3105.3-2009. 鐵道貨車鑄鋼搖枕、側(cè)架無損檢測[S]. 北京: 中國鐵道出版社, 2010.

[7] 史麗媛, 祝錫晶, 馬繼召. 基于UG參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)的研究[J]. 圖學(xué)學(xué)報, 2013, 34(2): 108-112.

[8] GB/T 31213.3-2014. 無損檢測 鑄鐵構(gòu)件檢測第 3部分: 聲發(fā)射檢測方法[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2014.

[9] Hamstad M A. Acoustic emission signals generated by monopole (pencil-lead break) versus dipole sources: finite element modeling and experiments [J]. Journal of Acoustic Em ission, 2007, 25: 92-106.

Finite Element Simulation and Experiments of Acoustic Em ission Testing on the Side Frame of Train Bogie

Zhang Jianchao1,2, Hao Rujiang3, Wu Zhe1

(1. School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;
2. Engineering Training Center, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei 050043, China; 3. School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei 050043, China)

The side frame is the key component of train bogie, and its fatigue property and crack state directly determ ines the operation security of locomotive vehicles. This paper starts w ith the typical locations where fatigue cracks easily appear in maintaining the side frame, thus the necessity of acoustic em ission is proposed. The three-dimensional modeling method is combined w ith 3 kinds of finite element software (UG, HyperMesh and ANSYS/LS-DYNA), and the transmission characteristics of the acoustic em ission signals in the side frame were simulated and visualized. Finally, the experimental program was proposed based on the simulation analysis, and the lead break testing system of the acoustic em ission in the side frame was established. The application feasibility of the acoustic em ission technique was tested on large railway components.

acoustic em ission; side frame; wave velocity; acoustic wave; lead break testing

U 279.3

10.11996/JG.j.2095-302X.2016040491

A

2095-302X(2016)04-0491-05

2015-11-25；定稿日期：2016-02-25

國家自然科學(xué)基金項目(11472180)，石家莊鐵道大學(xué)科研專項資金項目(20142033)

張建超(1977–)，男，河北唐山人，副教授，在讀博士。主要研究方向為機(jī)械工程。E-mail：zhangjianchao@yeah.net