張冉+趙子豪+張旭

摘要：采用直接測(cè)試的方式對(duì)垂向載荷進(jìn)行識(shí)別。利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)轉(zhuǎn)向架定位轉(zhuǎn)臂進(jìn)行分析，確定載荷測(cè)點(diǎn)位置及橫向載荷識(shí)別方式。對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后分別編制了浮沉載荷譜、側(cè)滾載荷譜、扭轉(zhuǎn)載荷譜以及橫向載荷譜，并針對(duì)這四種載荷譜分別繪制了鏇輪前后頻次圖。通過載荷譜及頻次圖對(duì)動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架載荷進(jìn)行了分析，總結(jié)了四種載荷的特性。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架；載荷識(shí)別；載荷譜；載荷特性

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.04.089

毫無疑問，鐵路運(yùn)輸在當(dāng)今的運(yùn)輸方式中占有非常重要的位置。而與社會(huì)發(fā)展相對(duì)應(yīng)的，便是不斷提高的列車運(yùn)行速度。在此基礎(chǔ)上，列車車身關(guān)鍵部位質(zhì)量的提高就顯得更為必要。2009年武廣客運(yùn)專線開通后，鐵道部高速動(dòng)車組，通過長期跟蹤研究的主要系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試，探索其高速遠(yuǎn)距離操作的能力，提出了鴯鹋維護(hù)和運(yùn)營管理的合理化建議，為新高速列車技術(shù)的發(fā)展提供理論支持和推進(jìn)。

轉(zhuǎn)向架是動(dòng)車組的關(guān)鍵部位之一。列車運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)向架的工況復(fù)雜，交變沖擊嚴(yán)重，其疲勞特性直接關(guān)系到列車的運(yùn)行安全以及人民的生命安全。對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行疲勞性能研究具有非常重要的意義。

1載荷測(cè)試與識(shí)別

通常假定動(dòng)車組的載荷具有一定的確定性，以此來進(jìn)行載荷識(shí)別。本文以CRH2103動(dòng)車組為研究對(duì)象，對(duì)其構(gòu)架在運(yùn)行過程中所受到的動(dòng)載荷和動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，并獲得軸箱彈簧垂向和定位轉(zhuǎn)臂橫向相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

1.1垂向載荷的測(cè)試

采用EDQ32型動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀和航天數(shù)據(jù)MDR移動(dòng)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。將該型動(dòng)車組的軸箱彈簧以力傳感器元件的形式安裝在轉(zhuǎn)向架上的4個(gè)不同位置，進(jìn)行垂向載荷的直接檢測(cè)。圖1為常規(guī)情況下軸箱彈簧測(cè)試電壓與測(cè)試載荷對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.2橫向載荷的測(cè)試

截至目前，還沒有比較準(zhǔn)確的方法可以直接測(cè)試橫向載荷。為確定最佳布片位置，獲得軸箱橫向載荷，通常采用有限元分析法進(jìn)行對(duì)應(yīng)系數(shù)的確定。基于上述分析，以定位轉(zhuǎn)臂作為懸臂梁結(jié)構(gòu)，用于識(shí)別定位轉(zhuǎn)臂受到的動(dòng)態(tài)載荷。

利用Hypermesh對(duì)定位轉(zhuǎn)臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分結(jié)果如圖2所示。利用ANSYS對(duì)劃分好網(wǎng)格的模型進(jìn)行分析。模型定位轉(zhuǎn)臂一端全約束，另一端施加100kN的單位橫向載荷。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可看出定位轉(zhuǎn)臂內(nèi)外側(cè)中間根部為載荷的強(qiáng)影響區(qū)，該位置可用于測(cè)試應(yīng)變片布片，這樣既可以不影響節(jié)點(diǎn)橫向力在該位置的測(cè)試信號(hào)，又能消去其他載荷對(duì)該位置測(cè)試信號(hào)的影響。通過有限元分析結(jié)果，采用“準(zhǔn)靜態(tài)法”計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)處的載荷系數(shù)為：K=100/179.7=0.556kN/Mpa。

2載荷譜編制

采用多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括格式轉(zhuǎn)換、應(yīng)變應(yīng)力轉(zhuǎn)換、未調(diào)平衡處理、去零漂處理、異常信號(hào)處理、濾波處理、峰谷值挑選、雨流計(jì)數(shù)法等。利用波動(dòng)中心法對(duì)載荷譜進(jìn)行編制。將所受載荷分解以下幾種：

2.1浮沉載荷譜

在運(yùn)營過程中，轉(zhuǎn)向架四個(gè)位置的軸箱彈簧載荷不斷變化，當(dāng)方向相同時(shí)便產(chǎn)生了浮沉載荷。

表1給出了鏇輪前后浮沉載荷八級(jí)譜。從幅值上看，鏇輪前第1級(jí)載荷幅值在.35kN左右，第八級(jí)在628kN左右，而鏇輪后載荷幅值明顯小于鏇輪前的，最大8級(jí)載荷幅值比鏇輪前小了2.34kN。從頻次角度分析，浮沉載荷的4到8級(jí)載荷的頻次累積不超過150次，而1到3級(jí)累積頻次急劇增加，因此浮沉載荷集中在前3級(jí)。

根據(jù)表1對(duì)浮沉載荷進(jìn)行一維譜頻次圖繪制。為了便于觀察，對(duì)累積頻次/萬公里取常對(duì)數(shù)，擬合后得到浮沉載荷隨運(yùn)營里程變化曲線圖，如圖4所示。從中可以看出，經(jīng)過鏇輪后，輪對(duì)的踏面得到修正，浮沉載荷幅值相較于鏇輪前有所減小，同時(shí)考慮到輪對(duì)踏面與輪軌的接觸，經(jīng)過磨合后，載荷幅值會(huì)有一定降低。

2.2側(cè)滾載荷譜

同軸側(cè)的軸箱彈簧載荷增大或者減小便產(chǎn)生側(cè)滾力矩，構(gòu)架和車體發(fā)生側(cè)滾運(yùn)動(dòng)。由載荷系分解實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到側(cè)滾載荷數(shù)據(jù)。

表2所示八鏇輪前后載荷譜。從表中可以發(fā)現(xiàn)鏇輪前后最大載荷為7.17kN，鏇輪后最大載荷降低明顯。對(duì)于頻次，第3到第8級(jí)載荷譜的和不超過200次，而第1和第2級(jí)載荷次數(shù)迅速增加，側(cè)滾載荷主要集中在前兩級(jí)。

圖5為側(cè)滾載荷鏇輪前后頻次圖。從圖中可以看出鏇輪后側(cè)滾載荷有明顯降低，鏇輪前、磨合期、后的載荷幅值從小到大依次排列，說明了鏇輪可以降低側(cè)滾載荷。

2.3扭轉(zhuǎn)載荷譜

由于四個(gè)軸箱彈簧載荷隨時(shí)在變化，當(dāng)載荷方向相反時(shí)，構(gòu)架受到扭轉(zhuǎn)載荷的作用。

由表3可以看到，扭轉(zhuǎn)載荷的第4到第8級(jí)載荷累積不超過100次，而第1到第3級(jí)載荷急劇增加，因此扭轉(zhuǎn)載荷集中在前三級(jí)。從載荷變化中可以看到，鏇輪后每一級(jí)的載荷明顯小鏇輪前。而第1和第2級(jí)的頻次則迅速增加，扭轉(zhuǎn)載荷主要是集中在前兩級(jí)中，對(duì)構(gòu)架的疲勞損傷起主導(dǎo)作用。

如圖6所示，鏇輪前的曲線能夠完全包絡(luò)鏇輪后的曲線，顯示鏇輪后各級(jí)的幅值有所減小。

2.4橫向載荷譜

計(jì)算公式為：

（1）式中Hi（i=1，2，3，4）為四個(gè)測(cè)力轉(zhuǎn)臂的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)處理得到橫向載荷八級(jí)譜。如表4所示。從八級(jí)譜中可以看出，鏇輪前和鏇輪后載荷值有明顯差別，第八級(jí)載荷由鏇輪前的12.03kN降到鏇輪后的11.10kN，對(duì)頻次而言，第3級(jí)到第8級(jí)累積頻次不到200次，而從第2級(jí)和第1級(jí)頻次迅速增加，可以看出橫向載荷集中在前兩級(jí)中。

可以看出鏇輪前的曲線完全包絡(luò)了鏇輪后的曲線，說明鏇輪后橫向載荷減小。由于鏇輪剛結(jié)束，此時(shí)輪對(duì)與鋼軌的接觸條件較差，在隨后的運(yùn)營中會(huì)有一個(gè)磨合期，在磨合期內(nèi)橫向載荷介于鏇輪前和鏇輪后之間。從頻次圖中也可以發(fā)現(xiàn)橫向載荷主要是集中在前兩級(jí)中。

3結(jié)論

通過對(duì)轉(zhuǎn)向架垂向載荷及橫向載荷的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行載荷譜編制，可以總結(jié)出一下規(guī)律：

（1）經(jīng)過鏇輪后，輪對(duì)的踏面得到修正，浮沉載荷幅值有所減小，同時(shí)考慮到輪對(duì)踏面與輪軌的接觸經(jīng)過磨合后，載荷幅值會(huì)降低。

（2）從側(cè)滾載荷譜及鏇輪前后頻次圖可以看出鏇輪可以降低側(cè)滾載荷。

（3）扭轉(zhuǎn)載荷主要是集中在載荷譜前兩級(jí)中，對(duì)構(gòu)架的疲勞損傷起主導(dǎo)作用。鏇輪前的曲線能夠完全包絡(luò)鏇輪后的曲線，顯示鏇輪后各級(jí)的幅值有所減小。

（4）橫向載荷主要集中在載荷譜前兩級(jí)中，鏇輪后橫向載荷有所減小。

參考文獻(xiàn)

[1]錢立新.世界高速鐵路技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[2]孔煒，馮順山，朱春梅.載荷識(shí)別技術(shù)在火箭推力偏心測(cè)試中的應(yīng)用[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，19（5）：1920.

[3]Barry J，White，Classifying selfelevating lift boats and enforcement responsility [C].Standard interpretations ，1985.

[4]唐秀近.動(dòng)態(tài)力識(shí)別的時(shí)域方法 [J].大連工學(xué)院學(xué)報(bào)，1987，26（4）：2127.

[5]白立國.70噸級(jí)通用敞車垂向、側(cè)滾和扭轉(zhuǎn)載荷譜的測(cè)試與研究 [D].北京：北方交通大學(xué)，2007.

[6]石長偉，劉志明，繆龍秀.有限元法在載荷識(shí)別中的應(yīng)用 [J].鐵道機(jī)車車輛，2006，26（5）：3032.

[7]袁金榮.CRH2300型動(dòng)車組動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架動(dòng)載荷識(shí)別研究 [D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

[8]孫志鋒.基于頻域的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估系統(tǒng)的開發(fā) [D].北京：北京交通大學(xué)，2006，3.

[9]劉志明.隨機(jī)載荷下焊接構(gòu)架疲勞壽命及可靠性研究 [D].北京：北方交通大學(xué)， 2001.

[10]張志林.飛機(jī)座艙透明件設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用 [D].南京：南京航空航天大學(xué)，2005，7.

[11]何秀然等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)載荷譜雨流計(jì)數(shù)法的改進(jìn)算法 [J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2005，31（3）：4749.

[12]Downing，S.D. Socie，D.F. Simple Rainflow Counting Algorithms [J].Int.J.Fatigue，1982，4：3140.

[13]閻楚良，張書明，葉柯等.中值隨機(jī)載荷數(shù)據(jù)處理專家系統(tǒng) [J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，8.