劉 鵬 趙 凱

沈陽(yáng)地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司

1、研究意義

隨著鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，軌道車輛的運(yùn)用條件(速度、載重等)發(fā)生了改變，車輛自身運(yùn)行狀況必然也會(huì)隨之變化。然而，無(wú)論高速鐵路還是城市軌道交通，安全運(yùn)營(yíng)始終是車輛運(yùn)行的首要問(wèn)題，其中車輛結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度問(wèn)題顯得尤為重要。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是軌道車輛走行部中的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)及試驗(yàn)評(píng)定是車輛能夠安全運(yùn)營(yíng)的重要保證。大多客運(yùn)轉(zhuǎn)向架采用H型箱形梁焊接式構(gòu)架，從是否具備動(dòng)力上可分為動(dòng)車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架，其中動(dòng)車轉(zhuǎn)向架提供車輛運(yùn)行所需動(dòng)力，結(jié)構(gòu)和受載情況更為復(fù)雜。對(duì)車輛結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度問(wèn)題的研究通常從結(jié)構(gòu)所受的載荷出發(fā)，以載荷為依據(jù)，進(jìn)一步確定載荷作用下的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度。車輛運(yùn)行時(shí)構(gòu)架的載荷數(shù)目較多并都具有隨機(jī)性，這些載荷禍合作用在一起，共同對(duì)構(gòu)架的疲勞損傷產(chǎn)生影響。構(gòu)架載荷是分析構(gòu)架疲勞強(qiáng)度及可靠性問(wèn)題的基礎(chǔ)，并可以由載荷推斷出構(gòu)架在全壽命周期內(nèi)的損傷特性。

隨著近幾年高速鐵路的不斷提速、城市軌道交通載客量的不斷增大，列車的運(yùn)行狀況較以前己有較大改變，車輛的品種也逐漸增多，同時(shí)線路條件也可能隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間發(fā)生變化，從而導(dǎo)致構(gòu)架載荷發(fā)生變化。因此，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在應(yīng)用時(shí)可能會(huì)由于疲勞強(qiáng)度不足而存在安全隱患。所以，對(duì)焊接構(gòu)架真實(shí)線路載荷的特征研究非常有必要。

2、焊接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架線路載荷分析

2.1 動(dòng)態(tài)載荷識(shí)別方法

動(dòng)態(tài)載荷識(shí)別是動(dòng)力學(xué)的兩大反問(wèn)題之一，它是在己知系統(tǒng)特征和系統(tǒng)響應(yīng)的條件下，識(shí)別系統(tǒng)的外部載荷。一般情況下，我們通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的位移、加速度、速度等響應(yīng)信號(hào)，利用已知的系統(tǒng)特性可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的載荷識(shí)別。

動(dòng)態(tài)載荷識(shí)別從理論基礎(chǔ)及識(shí)別特點(diǎn)上看，動(dòng)態(tài)載荷識(shí)別可分為頻域法和時(shí)域法。頻域法的特點(diǎn)是將系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)數(shù)理方程轉(zhuǎn)化至頻域，根據(jù)“載荷·響應(yīng)”在頻域內(nèi)的傳遞函數(shù)矩陣來(lái)識(shí)別動(dòng)態(tài)載荷，通過(guò)傅立葉逆變換實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)頻域轉(zhuǎn)換。而時(shí)域法的特點(diǎn)是建立系統(tǒng)輸入與輸出之間的復(fù)雜卷積關(guān)系，在獲取結(jié)構(gòu)響應(yīng)的情況下，利用這種卷積關(guān)系直接獲得結(jié)構(gòu)的載荷信號(hào)。此外，還有學(xué)者發(fā)展了基于其他理論的一些載荷識(shí)別方法。

2.2 焊接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架載荷識(shí)別方法

在動(dòng)態(tài)載荷識(shí)別研究領(lǐng)域己經(jīng)形成了大量的理論方法，這些方法具備鮮明的優(yōu)缺點(diǎn)，一般都有各自的應(yīng)用領(lǐng)域，針對(duì)某些問(wèn)題時(shí)可能是卓有成效的，但在某些大型工程結(jié)構(gòu)載荷識(shí)別問(wèn)題上(轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的載荷識(shí)別正屬于這類情況，仍然存在較大的局限，主要的局限體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)最適合載荷識(shí)別的測(cè)試部位無(wú)法安裝測(cè)試傳感器；

2)識(shí)別結(jié)構(gòu)自身屬性的試驗(yàn)邊界條件(如模態(tài)識(shí)別，等)無(wú)法與實(shí)際邊界條件一致；

3)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，同時(shí)結(jié)構(gòu)上載荷的藕合程度過(guò)高，使載荷在解禍識(shí)別過(guò)程中產(chǎn)生較大誤差；

4)需要識(shí)別的構(gòu)架載荷持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，進(jìn)行相關(guān)載荷識(shí)別積分運(yùn)算時(shí)，耗時(shí)巨大、結(jié)果易發(fā)散，導(dǎo)致識(shí)別方法不可實(shí)現(xiàn)；

5)沒(méi)有足夠大功率的激振器，對(duì)復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)的“載荷一響應(yīng)”傳遞關(guān)系進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)標(biāo)定。

2.3 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法

2.3.1 名義應(yīng)力法。名義應(yīng)力是結(jié)構(gòu)所受載荷除以所關(guān)注截面面積得到的應(yīng)力值，也就是所關(guān)注面積上的平均應(yīng)力值。將名義應(yīng)力作為設(shè)計(jì)參數(shù)的疲勞 強(qiáng)度計(jì)算方法就是名義應(yīng)力法，這也是最早的抗疲勞設(shè)計(jì)方法。該方法從材料的S-N曲線出發(fā)，考慮材料變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)后的各種影響系數(shù)(加載類型、表面質(zhì)量、尺寸效應(yīng)、缺口效應(yīng)等)，推出結(jié)構(gòu)的S-N曲線，根據(jù)所得結(jié)構(gòu)S一N曲線進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)與疲勞強(qiáng)度計(jì)算。

2.3.2 局部應(yīng)力應(yīng)變法。局部應(yīng)力應(yīng)變法主要針對(duì)低周疲勞的情況，用應(yīng)變壽命曲線代替應(yīng)力壽命曲線，用循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線替代單調(diào)應(yīng)力應(yīng)變曲線。該方法認(rèn)為結(jié)構(gòu)破壞起源于應(yīng)變集中部位，且裂紋萌生前會(huì)產(chǎn)生一定的局部塑形變形，局部塑性變形便是疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的前提條件，決定結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的參數(shù)便是應(yīng)變集中處的最大局部應(yīng)變，因此該方法以應(yīng)變集中處的局部應(yīng)力應(yīng)變?yōu)閰?shù)進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)與計(jì)算。

2.3.3 損傷容限法。方法假定結(jié)構(gòu)中存在初始裂紋，然后應(yīng)用斷裂力學(xué)方法估計(jì)結(jié)構(gòu)的剩余壽命，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。斷裂力學(xué)所采用的數(shù)學(xué)模型多采用應(yīng)力強(qiáng)度因子或守恒積分等裂紋擴(kuò)張速率公式，來(lái)確定交變載荷下主裂紋的擴(kuò)張規(guī)律。根據(jù)所得規(guī)律，確保裂紋在使用期限內(nèi)不會(huì)擴(kuò)展到引起結(jié)構(gòu)破壞的程度。

2.3.4 概率疲勞設(shè)計(jì)法。該方法也稱為疲勞可靠性設(shè)計(jì)方法，是抗疲勞設(shè)計(jì)與率統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合的成果。首先確定結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)分布與結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分布，然后用干涉模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)與計(jì)算。

總之，轉(zhuǎn)向架焊接型構(gòu)架在實(shí)際運(yùn)行時(shí)所受載荷數(shù)量較多，各載荷又禍合在一起共同對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷產(chǎn)生影響，不同的車型所采用的構(gòu)架形式也可能大不相同，因此焊接構(gòu)架載荷研究是一個(gè)復(fù)雜且困難的研究問(wèn)題，需要重點(diǎn)加強(qiáng)研究。

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[2]張昭.209P轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架疲勞壽命研究[D].北京交通大學(xué)，2015.

[3]王建斌.高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證[D].西南交通大學(xué)，2010.

[4]張方，秦田遠(yuǎn).工程結(jié)構(gòu)動(dòng)載荷識(shí)別方法[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.