朱玉晗

中車長春軌道客車股份有限公司

1、概述

自我國引進(jìn)動(dòng)車組以來，高速動(dòng)車組車下設(shè)備船的可靠性研究屬于一個(gè)比較新的領(lǐng)域，在目前現(xiàn)有的很多設(shè)備船設(shè)計(jì)中，憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的成分比較多一些，設(shè)計(jì)師常常以國內(nèi)外類似結(jié)構(gòu)為參考；國際上，對(duì)高速動(dòng)車組的設(shè)備船試驗(yàn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)與可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范尚處于定性層次，無法定量預(yù)測(cè)和評(píng)定高速列車關(guān)鍵零部件的可靠性。為了保證這些部件在設(shè)計(jì)時(shí)具有高的可靠性，保證行車安全，需對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命試驗(yàn)，對(duì)高速動(dòng)車組設(shè)備艙及底板的安全性和可靠性進(jìn)行評(píng)估；同時(shí)通過獲得符合真實(shí)情況的設(shè)備艙底板載荷譜為進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞壽命可靠性設(shè)計(jì)和進(jìn)行以可靠性為中心的維修性設(shè)計(jì)提供最基礎(chǔ)的條件。

2、設(shè)備船結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)模型

設(shè)備艙由裙板、底板、骨架等主要結(jié)構(gòu)組成。由于軟件具有強(qiáng)大的三維建模功能以及與軟件具有良好的接口，方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以打大大提高工作效率和工作質(zhì)量。本論文中設(shè)備船結(jié)構(gòu)釆用進(jìn)行實(shí)體三維建模，其模型與設(shè)備艙底板試驗(yàn)組合模型保持一致的原則。三維模型中，裙板與骨架、底板與骨架、骨架之間以及設(shè)備與設(shè)備船的連接方式與實(shí)體結(jié)構(gòu)一致。只有三維模型與實(shí)際模型保持一致的前提下，有限元模型處理義會(huì)更加方便，有限元模型以及仿真能更加準(zhǔn)確的反映整個(gè)設(shè)備船的受力情況以及受力變形情況。

3、設(shè)備艙底板組合模型疲勞試驗(yàn)

(1)疲勞試驗(yàn)的目的。在疲勞試驗(yàn)臺(tái)條件下對(duì)設(shè)備船組合模型進(jìn)行底板的疲勞試驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高速列車車下設(shè)備船結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。(2)試驗(yàn)條件測(cè)試條件：室內(nèi)疲勞試驗(yàn)臺(tái)條件下進(jìn)行設(shè)備艙組合模型的標(biāo)定和疲勞試驗(yàn)。(3)測(cè)試對(duì)象與內(nèi)容測(cè)試對(duì)象：試件為設(shè)備艙組合模型，模擬現(xiàn)車安裝結(jié)構(gòu)將設(shè)備船骨架、裙板、底板、端板組合為一體，形成小型設(shè)備船的整體框架式結(jié)構(gòu)，模擬車體結(jié)構(gòu)制作工裝，承載工況更符合實(shí)際工況。對(duì)底板進(jìn)行加載試驗(yàn)，并對(duì)蓋板托架、骨架邊梁、底板、裙板布點(diǎn)測(cè)試。(4)試驗(yàn)臺(tái)及加載方法：在試驗(yàn)臺(tái)加載中，將設(shè)備艙組合模型倒置于地面，并將設(shè)備船骨架與地面固定，兩側(cè)的裙板施加約朿，兩個(gè)作動(dòng)器通過放置有真空吸盤的鋼板加載到底板上，從而模擬在線路過程中設(shè)備船底板所受的氣動(dòng)載荷。

4、數(shù)據(jù)處理方法

4.1、濾波處理

在動(dòng)應(yīng)力的實(shí)測(cè)過程中，有的個(gè)別通道的信號(hào)可能會(huì)出現(xiàn)大的干擾，對(duì)于這種情況，只要干擾是有規(guī)律的，我們都可以通過頻譜分析，找出信號(hào)的主要干擾頻率范圍，然后用數(shù)字濾波器將這些干擾信號(hào)濾掉。數(shù)字濾波器通常有低通、高通、帶通、帶阻四種頻率選擇。根據(jù)以往實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)力頻譜特性的分析結(jié)果，其主頻均低于，而普通交流電源的頻率為，因此對(duì)該信號(hào)進(jìn)行的低通濾波，因此可以將不需要的或者由于交流電源干擾的波形濾掉。而加速度信號(hào)，由于加速度信號(hào)的頻率比應(yīng)力信號(hào)搞很多，關(guān)于加速度的信號(hào)本論文數(shù)據(jù)處理不進(jìn)行濾波處理。

挑選應(yīng)力時(shí)間歷程峰谷值在研究疲勞壽命時(shí)，我們關(guān)心的是應(yīng)力時(shí)間歷程中的極大值和極小值點(diǎn)(即應(yīng)力波峰波谷值)，而并不關(guān)心介于波峰、波谷值之間的數(shù)據(jù)樣點(diǎn)，因此必須把這些數(shù)據(jù)樣點(diǎn)加以過濾，只留下峰值點(diǎn)和谷值點(diǎn)，這一數(shù)據(jù)處理過程就是挑選應(yīng)力時(shí)間歷程峰谷值。

4.2、小波處理

在數(shù)據(jù)測(cè)試過程中，會(huì)釆集到很多應(yīng)力幅值很小的波形，這些應(yīng)力波形在編制應(yīng)力譜時(shí)構(gòu)成相當(dāng)多數(shù)量的小循環(huán)。由于這些應(yīng)力幅值遠(yuǎn)低于疲勞極限，通常我們認(rèn)為這些應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞不會(huì)造成影響。為此，因此在數(shù)據(jù)處理過程中，我們需要將這些應(yīng)力值比較小的應(yīng)力波形剔除掉。本論文中數(shù)據(jù)處理軟件處理這些無效的應(yīng)力波形為小波處理，通常我們認(rèn)為應(yīng)力低于的應(yīng)力為無效的應(yīng)力，因此本論文中小波處理的門濫值設(shè)為。

5、影響疲勞強(qiáng)度的主要因素

在機(jī)械零件中，由于結(jié)構(gòu)上的要求，一般都存在槽溝、軸肩、孔、拐角、切口等截面變化。為方便起見，這些截面變化我們統(tǒng)稱之為缺口。在這些缺口處，不可避免的要產(chǎn)生應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中又必然使零件的局部應(yīng)力髙。當(dāng)零件承受靜載荷時(shí)，由于常用的結(jié)構(gòu)材料都是延性材料，有一定的塑性在破壞以前有一個(gè)宏觀的塑性變形過程，使零件上的應(yīng)力重新分配，自動(dòng)趨于均勻化。因此，缺口對(duì)零件的靜強(qiáng)度一般沒有多大影響。而對(duì)疲勞破壞則情形完全不同，這時(shí)截面上的名義應(yīng)力尚未達(dá)到材料的屈服極限，因此破壞以前不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，沒有像靜載破壞前那樣的載荷重新分配過程。這樣使得應(yīng)力集中處疲勞強(qiáng)度比光滑部分低，常常成為零件的薄弱環(huán)節(jié)。因此，抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮缺口效應(yīng)。

尺寸效應(yīng)試樣和零件的尺寸對(duì)疲勞壽命的影響很大。一般來說，零件和試樣的尺寸增大時(shí)疲勞強(qiáng)度降低。這種疲勞強(qiáng)度隨零件尺寸增大而降低的現(xiàn)象稱為尺寸效應(yīng)。

用MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)設(shè)備艙底板模型進(jìn)行加載，山于室內(nèi)疲勞試驗(yàn)?zāi)M工況需比線路試驗(yàn)惡劣，施加載荷幅值應(yīng)比線路實(shí)測(cè)等效載荷要大，考慮動(dòng)荷系數(shù)，保證90%可靠度，載荷幅值需比等效載荷大30%，同時(shí)設(shè)備艙骨架又不能承受太大的載荷而導(dǎo)致設(shè)備艙骨架在疲勞試驗(yàn)過程中受損，故加載的載荷幅值為1.6kN，加載頻率為5Hz，進(jìn)行1000萬次的疲勞試驗(yàn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)備艙底板和骨架沒有出現(xiàn)疲勞破壞的裂紋。

結(jié)束語

總而言之，探討高速列車車下設(shè)備艙底板的可靠性，對(duì)于提高道速列車的運(yùn)行質(zhì)量以及運(yùn)行效率具有非常重要的意義。

[1]朱文杰.耦合軌道模型的高速列車車下流場(chǎng)仿真技術(shù)研究與應(yīng)用[D].北京交通大學(xué)，2016.

[2]王文靜，惠曉龍，馬紀(jì)軍.高速列車設(shè)備艙支架疲勞裂紋機(jī)理研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51(06)：142-147.

[3]楊社騰.高速列車底板氣動(dòng)效應(yīng)研究[D].北京交通大學(xué)，2015.