章明耀

摘要：本文主要圍繞地鐵車輛輪對安全吊的振動疲勞特性展開研究，通過模態(tài)分析和模態(tài)仿真實驗，探究影響安全吊正常運行幅值的因素，結(jié)合有限元計算等進行進一步驗證分析，探究延長安全吊使用壽命的具體措施。

關(guān)鍵詞：安全吊;振動疲勞;模態(tài)分析;疲勞壽命

1.模態(tài)分析

模態(tài)分析可以幫助實驗人員從多角度開展模態(tài)仿真計算和模態(tài)試驗，繼而獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。實驗選擇了固定形式的安全吊開展工作，在軸箱上方緊固螺栓后，當車輛起吊時，安全吊會與構(gòu)架鐵合在一起，實現(xiàn)輪對和架構(gòu)的正常連接，實現(xiàn)對輪對的起吊。此時，安全吊相當于一個懸臂結(jié)構(gòu)，受到振動等當面的影響，安全吊在應(yīng)用過程中可能會出現(xiàn)開裂問題，這也是在車輛起吊過程中經(jīng)常會出現(xiàn)的問題之一。下圖為模態(tài)仿真和實驗過程中得到的不同數(shù)據(jù)。

2.線路實驗

2.1實驗準備

為了獲得正常工作狀態(tài)下的安全吊應(yīng)力水平和振動情況等數(shù)據(jù)，實驗人員選擇對車輛進行線路實驗，結(jié)合其不同階段的運行狀態(tài)，測量安全吊的橫向加速度和軸箱體動應(yīng)力響應(yīng)等數(shù)據(jù)。

2.2數(shù)據(jù)分析

通過不同階段的車輛運行數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，軸向的垂向振動和橫向振動都比較穩(wěn)定，波動控制在一定范圍內(nèi)。而安全吊則會隨著車輛運行出現(xiàn)波動較大的振動，到最后振動幅值會在短時間內(nèi)達到高峰。通過比較車輛途經(jīng)的路段可以判斷，在振動幅值較大的路段可能會存在鋼軌波磨等問題，該類問題的存在會導(dǎo)致安全吊的部分區(qū)域產(chǎn)生共振，通過傅里葉變換對波磨的站間數(shù)據(jù)進行分析可以發(fā)現(xiàn)，存在不隨速度變化而變化的固定能量帶，結(jié)合其影響因素可以判斷這與一階彎曲模態(tài)被激發(fā)有關(guān)，而該狀態(tài)會導(dǎo)致安全吊脫離原有的振動頻率，出現(xiàn)較大的振動，影響車輛運行穩(wěn)定性。通過將軸箱到安全吊的振動時域進行對比可以發(fā)現(xiàn)，安全吊的垂向加速度幅值一直穩(wěn)定在與軸箱相對合理的范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)明顯變化。而將橫向振動幅值對比時可以發(fā)現(xiàn)，安全吊的振動幅值是軸箱的三到三點五倍，該時域的一階橫向彎曲模態(tài)被激發(fā)引起了安全吊橫向加速度的放大性變化，其主頻也發(fā)生了不同程度的變化。

2.3疲勞壽命對比分析

ISO將疲勞定義為受到應(yīng)力及應(yīng)變反復(fù)作用的材料發(fā)生不同程度的性能變化，主要體現(xiàn)在開裂和破壞等方面。而破壞產(chǎn)生的機理是金屬材料在循環(huán)形變過程中會出現(xiàn)不可逆的疲勞裂紋并擴展，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)形成永久性的損傷。在實際工程中，相關(guān)人員會結(jié)合連續(xù)介質(zhì)力學方法來對應(yīng)力、應(yīng)變和環(huán)境因素等對疲勞壽命造成的影響進行分析。疲勞壽命是疲勞裂紋循環(huán)數(shù)和裂紋的亞臨界被擴展到最后尺寸的循環(huán)數(shù)總和。根據(jù)其定義，可以通過損傷容限法和總壽命法兩種方法對其進行計算，結(jié)合具體情況選擇應(yīng)當使用的方法。

在實驗開展過程中，實驗人員可以結(jié)合實際測得的線路動應(yīng)力數(shù)據(jù)總壽命對安全吊結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進行評估，繼而得到在現(xiàn)有線路條件下，不同測點位置的安全吊的服役壽命。實驗過程中會得到大量原始數(shù)據(jù)，但是該類數(shù)據(jù)會受到干擾噪聲的影響，不利于后續(xù)計算等工作合理開展。為此，實驗人員需要對數(shù)據(jù)進行零漂修正和共模噪聲濾波等處理，逐層對噪聲進行過濾，繼而得到相對清晰準確的實驗數(shù)據(jù)。通常實驗開展過程中，主要是利用材料的常幅應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)數(shù)據(jù)來開展其疲勞壽命計算工作。實驗人員使用載荷譜來獲得離散分級的常幅應(yīng)力應(yīng)變譜，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)隨機應(yīng)力應(yīng)變時間歷程的合理轉(zhuǎn)換，可以推動后續(xù)實驗計算工作合理開展。而這種轉(zhuǎn)換方法是在傳統(tǒng)雨流計數(shù)法的基礎(chǔ)上進行的，因而在后續(xù)討論過程中也主要應(yīng)用該方法來對測得的動應(yīng)力數(shù)據(jù)進行分級計算。結(jié)合結(jié)構(gòu)疲勞定義可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)疲勞實際上是材料所受的損傷逐漸積累的過程。一般在鐵路行業(yè)中，車輛的使用時間和使用里程是壽命的主要表征，在使用頻次的幫助下對這兩類數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，可以測得安全吊損傷量的準確數(shù)據(jù)。實驗和實際工作過程中，相關(guān)單位會在《FKM Analytical Strength Assessment 5th_Edition》這一壽命評估參考標準的幫助下開展后續(xù)工作。該標準對安全吊材料牌號和對應(yīng)牌號的抗拉強度參數(shù)以及屈服強度參數(shù)等進行了明確的規(guī)定，工作人員可以結(jié)合安全吊使用環(huán)境對其安全系數(shù)進行確定，一般為1.35。實驗人員對地鐵往返測試數(shù)據(jù)進行評估之后，在有限元計算的幫助下，可以得到不同應(yīng)力位置的變化數(shù)據(jù)，其使用評估壽命結(jié)果如下。

3.實驗結(jié)論

通過對某地鐵安全吊輪進行模態(tài)仿真和模態(tài)實驗測試，經(jīng)過有限元計算驗證后發(fā)現(xiàn)，安全吊的一階橫向彎曲模態(tài)為345Hz，二階固有頻率是991Hz。而將軸箱和安全吊的振動數(shù)據(jù)進行對比可以發(fā)現(xiàn)，車站之間可能存在軌道波磨問題，影響安全吊的使用壽命。而經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)，安全吊在受到軌道波磨段的影響后發(fā)生共振，導(dǎo)致其原有的振動幅值發(fā)生變化，繼而會出現(xiàn)不同程度的破壞，這是其破壞的主要原因。在共振作用的影響下，安全吊的橫向振動幅度明顯擴大，導(dǎo)致其動應(yīng)力發(fā)生明顯變化，這直接導(dǎo)致安全吊出現(xiàn)損傷破壞問題。通過對軌道波磨路段的數(shù)據(jù)進行分析計算可以發(fā)現(xiàn)，安全吊在不受波磨損耗影響的情況下，其疲勞壽命大大延長，因而相關(guān)單位應(yīng)當安排專業(yè)人員對軌道波磨路段進行打磨，同時申請在壽命管理中加入安全吊壽命管理項目，可以有效延長安全吊的使用壽命。

4.小結(jié)

地鐵車輛輪對安全吊的振動疲勞一直存在，而軌道波磨路段引起的振動會導(dǎo)致安全吊振動狀態(tài)發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致安全吊的使用壽命縮短。地鐵工作人員和維修人員等必須加強對安全吊管理工作的重視，及時處理軌道波磨等問題，延長安全吊的使用壽命。

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