李偉 傅志紅

摘 要：轉(zhuǎn)向架構(gòu)架對于列車的安全穩(wěn)定行駛具有至關(guān)重要的作用，為實(shí)現(xiàn)對單軌高架游覽車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞壽命校核，本文依據(jù)UIC-ORE標(biāo)準(zhǔn)，對在軌運(yùn)行的列車構(gòu)架進(jìn)行應(yīng)力測量，通過處理得到了有效的應(yīng)力循環(huán)，并結(jié)合幾何模型、材料屬性在MSC.Fatigue軟件中進(jìn)行了疲勞校核，計(jì)算結(jié)果表明該轉(zhuǎn)向架的疲勞強(qiáng)度滿足要求。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架構(gòu)架；疲勞壽命；UIC-ORE

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.008

1 引言

軌道交通所使用的車輛部件，由于加工工藝很多為焊接，且在運(yùn)行過程中受到復(fù)雜的外部載荷，導(dǎo)致在長期的運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)一些局部缺陷或者殘余應(yīng)力。在這些情況下，甚至不超過許用載荷的外力會(huì)致使構(gòu)件發(fā)生破壞，危及列車的平穩(wěn)運(yùn)行。一般而言，把這種材料在這種長時(shí)間的循環(huán)非恒應(yīng)力或非恒應(yīng)變作用下發(fā)生局部的不可恢復(fù)的強(qiáng)度變化，最終一致形成裂紋或?qū)е聵?gòu)件失效的現(xiàn)象，稱之為疲勞。疲勞與普通的短時(shí)間喪失強(qiáng)度屬性不同，這種現(xiàn)象的發(fā)生，一方面，由于材料自身在加工之時(shí)存在一些殘余應(yīng)力或者缺陷；另一方面，與某一長期作用的應(yīng)力集中有關(guān)。

大量文獻(xiàn)表明，疲勞破壞對于機(jī)械零件失效的貢獻(xiàn)很大，有50%～90%的事故是由于疲勞失效所導(dǎo)致的。由于單軌高架游覽車是一種在室外運(yùn)行的列車，其運(yùn)行條件復(fù)雜，且由于人員的上下導(dǎo)致車輛保持運(yùn)行在循環(huán)載荷下，其在長時(shí)間工作下的疲勞壽命也是研發(fā)人員所關(guān)心的一個(gè)關(guān)鍵問題[1]。而作為列車的主要承載構(gòu)件，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架需要承受車輛的垂直載荷和預(yù)應(yīng)力。在長期的、復(fù)雜的交變應(yīng)力作用下，構(gòu)架將產(chǎn)生一定的疲勞損傷，而隨著時(shí)間的發(fā)展，構(gòu)架可能在未達(dá)到材料強(qiáng)度極限的應(yīng)力作用下而發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞[2]。所以，列車設(shè)計(jì)時(shí)針對特定載荷下的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞分析和壽命預(yù)測對車輛的長期平穩(wěn)安全運(yùn)行至關(guān)重要。

本文針對中車集團(tuán)研制的單軌高架游覽車，采用現(xiàn)場實(shí)測的方法對實(shí)際工作環(huán)境中運(yùn)行列車行走部的鉸接式轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行檢測，采用雨流計(jì)數(shù)法對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，從而提取載荷譜實(shí)現(xiàn)基于UIC-ORE標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞校核。

2 UIC-ORE標(biāo)準(zhǔn)

2.1 UIC-ORE標(biāo)準(zhǔn)簡介

UIC標(biāo)準(zhǔn)是一種旨在促進(jìn)國際間鐵路行業(yè)交流合作而發(fā)布的一系列標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)包括鐵路設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維修，車輛和安全的一列規(guī)范[3，4]。UIC615-4標(biāo)準(zhǔn)是用來專門指導(dǎo)轉(zhuǎn)向架強(qiáng)度研究的規(guī)范，這一標(biāo)準(zhǔn)中包含了眾多力學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中疲勞試驗(yàn)的測試目的是確定轉(zhuǎn)向架的壽命、評估安全裕量、檢查靜強(qiáng)度沒有識(shí)別的隱藏的弱點(diǎn)。

2.2 UIC-ORE疲勞評定具體流程

在機(jī)車車輛承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，其疲勞強(qiáng)度的考核主要依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計(jì)算載荷和載荷工況實(shí)施，疲勞強(qiáng)度評定流程如下[5]。

（1）確定承載結(jié)構(gòu)的計(jì)算載荷和載荷工況；

（2）按力學(xué)方法或有限元方法計(jì)算每個(gè)載荷工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布；

（3）按一方法將不同載荷工況下的多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力；

（4）按式確定結(jié)構(gòu)不同位置的平均應(yīng)力、應(yīng)力幅或應(yīng)力比；

（5）繪制材料的修正的曲線，并將上一步中的計(jì)算值投入其中進(jìn)行疲勞評估。

3 載荷譜獲取試驗(yàn)

載荷譜是疲勞壽命估算的三大要素之一，其代表了列車在特定行駛環(huán)境下所受到的應(yīng)力-時(shí)間歷程。載荷譜一般受到運(yùn)行條件、使用情況、結(jié)構(gòu)特性的影響，而這些因素又相互影響，其關(guān)系如圖1所示。

能否正確獲取到有效的載荷譜將極大地影響疲勞分析結(jié)果，一般而言載荷譜的獲取主要通過兩種方式，現(xiàn)場實(shí)測和模型仿真。本文采用現(xiàn)場實(shí)測的方式，獲取單軌鉸接式游覽車在實(shí)際工況下的載荷變化情況。

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由應(yīng)力應(yīng)變采集裝置（電阻式應(yīng)變片、端子片）、德國IMC devices數(shù)采系統(tǒng)、存儲(chǔ)與分析系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)）、屏蔽系統(tǒng)（屏蔽信號(hào)線）等組成。

3.2 試驗(yàn)方案

由于此次設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向架為新型轉(zhuǎn)向架，沒有較多經(jīng)驗(yàn)可以遵循。在進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測前，應(yīng)對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，以得到列車運(yùn)行過程中的最危險(xiǎn)點(diǎn)，從而有針對性地獲取具有代表性的載荷譜。通過建模、劃分網(wǎng)格等過程得到了在該種列車在6種典型工況（滿載靜止工況、轉(zhuǎn)彎工況、制動(dòng)工況、牽引工況、轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況、轉(zhuǎn)彎牽引工況）下的應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖和模態(tài)分析結(jié)果。

計(jì)算結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的主體與支架連接處最為危險(xiǎn)，因此，在進(jìn)行在線路軌測試的過程中，應(yīng)采集的部位為橫梁立板上（圖2、圖3）。對于整車而言，為采集的科學(xué)合理和便于分析，系統(tǒng)應(yīng)該被安放在首節(jié)車廂的首個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上。

將與系統(tǒng)連接好的應(yīng)變片緊貼在橫梁右端，在經(jīng)過一天的應(yīng)力消除期后，進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)所用的應(yīng)變片通過一根4芯的屏蔽電纜與數(shù)采系統(tǒng)相連，連接方式采用半橋接法（如圖4），數(shù)采系統(tǒng)處理出來的數(shù)據(jù)通過線路連接至存儲(chǔ)與分析系統(tǒng)，并可以通過專用軟件進(jìn)行顯示與處理。

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，試驗(yàn)在一條鋪設(shè)好的景區(qū)觀光游覽線上進(jìn)行，該條游覽線全長10.46km，適用于單軌的PC混凝土材料澆筑，線路的爬坡最大坡度為55‰，曲率最大段的曲線半徑正線為90m，站線為40m。試驗(yàn)車輛運(yùn)行的速度為標(biāo)準(zhǔn)速度，15km/h。

3.3 結(jié)果處理與分析

一般情況下，構(gòu)件所受的每個(gè)應(yīng)力循環(huán)均不一致，即不會(huì)出現(xiàn)相鄰兩個(gè)完全相同的波峰（或波谷），那么就不可能用相鄰的波峰和波谷來反映全部的信息。所以應(yīng)該找到一種循環(huán)計(jì)數(shù)法來對應(yīng)力循環(huán)進(jìn)行相對完整的樣本記錄，以便獲取有用的循環(huán)載荷歷程，達(dá)到對構(gòu)件的疲勞分析與壽命預(yù)測。基于統(tǒng)計(jì)學(xué)，循環(huán)計(jì)數(shù)法可分為單參數(shù)法和雙參數(shù)法。這兩種方法的主要區(qū)別在于分析考慮載荷循環(huán)中的一個(gè)還是兩個(gè)參數(shù)。由于單參數(shù)只考慮一個(gè)變量，不足以反映疲勞分析所需的全部信息，因此通常采用雙參數(shù)法。雙參數(shù)法的代表有極大-極小計(jì)數(shù)法、雨流計(jì)數(shù)法等。當(dāng)前，用于疲勞分析的較為流行的方法是雨流計(jì)數(shù)法。

為便于實(shí)現(xiàn)載荷譜的獲取，采用MALTAB對測得的載荷譜進(jìn)行提取。MALTAB是一款強(qiáng)大的數(shù)值分析軟件，其設(shè)計(jì)十分有利于數(shù)組的計(jì)算，因此特別適于雨流計(jì)數(shù)法的應(yīng)用。本文也采用其以雨流計(jì)數(shù)法為基礎(chǔ)，運(yùn)用MALTAB對隨機(jī)載荷譜進(jìn)行計(jì)數(shù)。對列車運(yùn)行中的載荷譜隨機(jī)取出一段曲線（圖5），進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后用編寫的MATLAB程序進(jìn)行處理。

在這里使用了一段列車運(yùn)行中的歷時(shí)1000多秒的載荷譜，采用雨流計(jì)數(shù)法在MATLAB中的自編程序?qū)τ谳d荷的預(yù)處理。從圖6可以看到，經(jīng)過預(yù)處理，所有有效的載荷循環(huán)皆被保留下來了，而長達(dá)300多秒的無效幅值被去除，這樣的處理為后面的程序快速運(yùn)行打下了很好的基礎(chǔ)。

本文采用雨流計(jì)數(shù)法對載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取得到了三個(gè)方向上的載荷譜，通過式1合成能夠得到Von-Mises應(yīng)力。通過對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的載荷譜進(jìn)行應(yīng)力值提取，可以得到列車測試點(diǎn)在不同工況下的應(yīng)力值，如表1所示。

（1）

式中，分別為三個(gè)方向的主應(yīng)力。

在這6種工況下，牽引制動(dòng)工況所造成的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的應(yīng)力集中最為明顯，滿載靜止工況的應(yīng)力集中最為不明顯。此外，在這些工況下的應(yīng)力值均未超過材料的許用應(yīng)力（340MPa），實(shí)測得到的最大應(yīng)力為295.2MPa。同時(shí)通過對比兩種方法所得到的結(jié)果可看出，有限元的計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好最大偏差不超過3%，故認(rèn)為數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)均較為合理，計(jì)算結(jié)果均具參考價(jià)值，適合作為后續(xù)疲勞壽命分析的的參考依據(jù)。

4 疲勞校核

一般來說，疲勞壽命的預(yù)測與疲勞分析只需要三大要素──載荷、幾何模型、材料屬性。通過將靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果、材料的疲勞特性、現(xiàn)場實(shí)測的載荷譜輸入MSC.Fatigue軟件進(jìn)行基于UIC-ORE準(zhǔn)則的疲勞分析，便可以得到構(gòu)架各處的壽命分布云圖，如圖7、8所示。

表2為危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的疲勞分析結(jié)果，可以看出表中最危險(xiǎn)的節(jié)點(diǎn)為487485，對應(yīng)著構(gòu)架的橫梁立板。該節(jié)點(diǎn)長期循環(huán)2.587E5次即會(huì)出現(xiàn)破壞失效，參照列車的實(shí)際使用情況（按照單軌高架游覽車每天運(yùn)行10次計(jì)算），將循環(huán)次數(shù)換算成相應(yīng)的運(yùn)營時(shí)間為70年，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)服役年限。

5 小結(jié)

為校核單軌高架游覽車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞壽命，本文在對進(jìn)行UIC-ORE標(biāo)準(zhǔn)簡要介紹的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了基于UIC-ORE標(biāo)準(zhǔn)的疲勞評估。為對真實(shí)條件下的轉(zhuǎn)向架受力過程進(jìn)行了解，采用德國IMC devices數(shù)采系統(tǒng)對運(yùn)行線路的車輛構(gòu)架載荷譜進(jìn)行測量，并通過對載荷譜進(jìn)行處理，提取了有效的應(yīng)力循環(huán)，最后利用簡化處理后的載荷譜采用MSC.Fatigue軟件進(jìn)行了疲勞校核，計(jì)算結(jié)果表明該轉(zhuǎn)向架的疲勞強(qiáng)度滿足要求。

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作者簡介：李偉（1982-），男，湖南常德人，本科，工程師，研究方向： 機(jī)械制造及其自動(dòng)化、模具及裝備。