王小剛+王春香+于灝+趙鈺龍

摘 要：本文從斷裂機(jī)理出發(fā)通過(guò)有限單元法分析確定疲勞關(guān)鍵部位，依據(jù)運(yùn)動(dòng)特性分解基本載荷系，分析國(guó)內(nèi)外研究成果，進(jìn)而提出測(cè)試方案，方案包括信號(hào)的測(cè)試和數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。此測(cè)試方案運(yùn)用于實(shí)際對(duì)生產(chǎn)與設(shè)計(jì)都有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：干熄焦 臺(tái)車架 測(cè)試方法

中圖分類號(hào)：U461.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）07（b）-0111-03

干熄焦車的主要部件與火車的轉(zhuǎn)向架一樣，臺(tái)車架主要的作用是聯(lián)系車輪與車體。支撐車體所有重量包括車體零部件與車上載荷，所以臺(tái)車架的工作狀態(tài)直接決定了整車的運(yùn)行情況與安全情況。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，干熄焦車中最易發(fā)生破壞的零部件就是臺(tái)車架橫梁。因此，能夠準(zhǔn)確、有效地計(jì)算和測(cè)試臺(tái)車架橫梁的應(yīng)力、應(yīng)變等信息對(duì)于設(shè)計(jì)與生產(chǎn)都非常重要[1-2]。為確定橫梁的破壞原因，本文應(yīng)用有限元法分析確定了臺(tái)車架的疲勞關(guān)鍵部位[3]，提出了一套測(cè)試臺(tái)車架疲勞關(guān)鍵部位應(yīng)力的測(cè)試方法，分析了載荷并確定了測(cè)定位置、制定了測(cè)試電路和選定了采樣頻率，詳細(xì)介紹了信號(hào)處理的必要性與基本的步驟[4-5]。此測(cè)試方案運(yùn)用于實(shí)際對(duì)生產(chǎn)與設(shè)計(jì)都有一定的參考價(jià)值。干熄焦車臺(tái)車架（如圖1）在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)橫梁斷裂如圖2所示。

1 工況分析

對(duì)臺(tái)車架進(jìn)行分析，首要的是了解干熄焦車臺(tái)車架的運(yùn)行情況。干熄焦車的構(gòu)成如下：每個(gè)臺(tái)車架上安裝有兩個(gè)輪軸，每輪軸上安裝車輪一對(duì)。車輪運(yùn)行于鐵軌之上，鐵軌型號(hào)p50。每干熄焦車需臺(tái)車架兩組，在兩組臺(tái)車之上安置主梁一架。干熄焦車在工作時(shí)會(huì)搭載提升主梁一架、焦罐一個(gè)、焦炭21t。其工況如表1所示。整個(gè)運(yùn)焦過(guò)程共用時(shí)20min，最大載荷時(shí)應(yīng)力為58.6MPa，如圖3所示。滿足靜強(qiáng)度條件，其斷裂原因需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究。

2 測(cè)試系統(tǒng)

本研究主要測(cè)試臺(tái)車架橫梁應(yīng)力關(guān)鍵處的應(yīng)力，采用同步連續(xù)測(cè)試系統(tǒng)[3，5]。測(cè)試系統(tǒng)由：被測(cè)橫梁、傳感器（應(yīng)變片）、信號(hào)采設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備和供電設(shè)備組成。采集設(shè)備采為HBM公司eDAQ數(shù)據(jù)采集設(shè)備。eDAQ小巧耐用，可獨(dú)立工作，適應(yīng)能力高，適合礦山、冶金與農(nóng)業(yè)機(jī)械，是專門為采集數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)而設(shè)計(jì)，采用了大容量的存儲(chǔ)設(shè)備，有效防止了數(shù)據(jù)過(guò)大溢出損失寶貴數(shù)據(jù)，供電可以采用獨(dú)立電池供電，不但可以降低電壓變化的影響而且操作靈活，便于攜帶和布置測(cè)試系統(tǒng)。

3 測(cè)量電路

應(yīng)變片的工作原理是應(yīng)變-電阻效應(yīng)，在實(shí)際的測(cè)試中，橫梁的變型是十分微小的。所以需要測(cè)量電路，把電阻的變化轉(zhuǎn)變成模電信號(hào)，然后再通過(guò)放大就可以得到測(cè)試需要的數(shù)據(jù)了。應(yīng)用最廣的就是惠斯登電橋（如圖4），其中ac端接電源，bd為輸出端，輸出電壓為V0：

4 測(cè)點(diǎn)布置

為了保證測(cè)試的準(zhǔn)確可靠，同時(shí)又盡可能地降低測(cè)試的成本。第一步要準(zhǔn)確確定疲勞關(guān)鍵部位。采用理論與實(shí)際相結(jié)合的方法。一方面統(tǒng)計(jì)臺(tái)車架橫梁斷裂紋的位置，在坐標(biāo)系中畫(huà)出這些裂紋，然后找到其破壞中心位置。另一方面采用現(xiàn)在比較流行的有限元分析方法，建造三維實(shí)體模型，用軟件分析找到其疲勞關(guān)鍵部位（如圖3所示）。其中黃色部位是應(yīng)力集中部位，也就是疲勞關(guān)鍵部位。這與實(shí)際中破壞的部位是一致的，所以在此處安裝傳感器（如圖5所示）。

5 采樣頻率

采樣頻率要依據(jù)臺(tái)車架的最高頻率進(jìn)行指定。實(shí)際測(cè)試中常取被測(cè)系統(tǒng)最大頻率的10倍作為采樣頻率?？梢杂行б种瓶s減混疊現(xiàn)象，避免不必要的信息損失。較高的采樣頻率可以提供高的分辨率。但是高采樣頻率會(huì)占用大量?jī)?nèi)存和增加處理時(shí)間，耗費(fèi)資源與增加研究周期，所以取到合適頻率就好，不可一味追求高采樣頻率。有軌車輛的實(shí)際載荷時(shí)間歷程頻率在40Hz以下[5]，所以取500Hz進(jìn)行采樣。

6 信號(hào)處理

首先要對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后對(duì)其進(jìn)行正式處理。測(cè)試儀器十分復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)條件較差，所以測(cè)試難免受到影響，得到與研究無(wú)關(guān)甚至有害的信號(hào)。因此需要對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，包括：去除毛刺、去除零點(diǎn)漂移和濾波處理。電磁干擾或是臺(tái)車架顛簸碰撞都有可能造成毛刺生成，毛刺信號(hào)往往頻率較高，振幅較大而且十分隨機(jī)，其對(duì)應(yīng)力譜高頻分量的影響十分大，所以為了應(yīng)力譜的準(zhǔn)確性與有效性就一定要去掉數(shù)據(jù)中的毛刺，去除毛刺信號(hào)前后對(duì)比如圖6。由于在疲勞研究中，最重要的不是應(yīng)力-時(shí)間歷程中的過(guò)渡值點(diǎn)，而是峰谷值，峰谷值的數(shù)目與疲勞壽命有直接聯(lián)系，所以要對(duì)極值點(diǎn)進(jìn)行挑選，挑選前后比較如圖7。橫梁的工作環(huán)境溫度變化相對(duì)復(fù)雜，車體也會(huì)有一定的溫度變化。用來(lái)測(cè)試的電子原件在感受到溫度變化后，就會(huì)出現(xiàn)一定程度的誤差。其直接體現(xiàn)就是整個(gè)載荷譜隨時(shí)間而偏離零點(diǎn)即產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。如不去除則會(huì)影響到結(jié)果精度和加大后期處理難度。根據(jù)相關(guān)研究可推測(cè)臺(tái)車架的激勵(lì)應(yīng)小于40Hz，而高于這一頻率的激勵(lì)對(duì)臺(tái)車架的破壞有限，所以采用低通濾波濾掉40Hz以上的干擾信號(hào)。處理載荷時(shí)間歷程的方法很多，但是目前應(yīng)用最廣的方法便是雨流計(jì)數(shù)法[5]。這一計(jì)數(shù)方法與材料疲勞損傷具有內(nèi)在聯(lián)系，雨流計(jì)數(shù)后的數(shù)據(jù)即可用于編制應(yīng)力譜。

7 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用有限元方法分析計(jì)算出了臺(tái)車架疲勞關(guān)鍵處，由此制定了一套測(cè)試方案。詳細(xì)介紹了信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容、對(duì)應(yīng)力譜的建立有指導(dǎo)作用，對(duì)臺(tái)車架的設(shè)計(jì)與改進(jìn)都有重要意義。

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