孫暉東， 李志永， 張佳宇， 李 超， 李作良

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司 技術(shù)研究中心， 河北唐山 063035)

中車唐山公司近年來(lái)中標(biāo)了美國(guó)費(fèi)城雙層客車項(xiàng)目和加拿大蒙特利爾雙層客車項(xiàng)目，并投標(biāo)美國(guó)新澤西雙層動(dòng)車組項(xiàng)目。由于沒有成熟的北美運(yùn)營(yíng)業(yè)績(jī)，所有項(xiàng)目轉(zhuǎn)向架均為當(dāng)?shù)夭少?gòu)。2018年中車唐山公司完成了針對(duì)北美市場(chǎng)的雙層客車新型轉(zhuǎn)向架的開發(fā)。

構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架重要的承載體和傳力體，其強(qiáng)度可靠性直接決定了車輛的運(yùn)行安全[1]。目前國(guó)內(nèi)外軌道行業(yè)對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度的設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法主要有：有限元分析計(jì)算、臺(tái)架強(qiáng)度試驗(yàn)和線路動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)。有限元分析最常見的疲勞評(píng)估方法是基于名義應(yīng)力的疲勞極限法和累積損傷法，兆文忠等[2]基于網(wǎng)格不明感的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法評(píng)估焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命，并將其定義為“新一代的評(píng)估方法”。國(guó)內(nèi)外形成大量的構(gòu)架臺(tái)架強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)構(gòu)架進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證[3]，比如國(guó)際鐵路聯(lián)盟的UIC 615-4、UIC 515-4、歐洲的EN 13749、日本的JIS E 4208、美國(guó)的APTA PR-M-RP-009-98等。美國(guó)通過長(zhǎng)期大量的線路試驗(yàn)，得到的載荷譜編入美國(guó)AAR機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)。國(guó)內(nèi)的唐兆等[4]通過線路動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)，研究車輛轉(zhuǎn)向架疲勞可靠性，為車輛設(shè)計(jì)提供了多種疲勞壽命分析方法和工具。王文靜等[5]對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架載荷譜進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤試驗(yàn)，研究了旋輪前后構(gòu)架的受力狀態(tài)，為高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架載荷譜奠定基礎(chǔ)。有限元分析計(jì)算的最大優(yōu)勢(shì)是可以大大降低設(shè)計(jì)成本，縮短研發(fā)周期。試驗(yàn)相對(duì)計(jì)算來(lái)說成本高、周期長(zhǎng)，但是試驗(yàn)是保證產(chǎn)品質(zhì)量必須的一環(huán)。

以中車唐山公司研制的雙層動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為研究對(duì)象，基于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，介紹了美標(biāo)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證方法。

1 轉(zhuǎn)向架簡(jiǎn)介

該轉(zhuǎn)向架最大特點(diǎn)是三系懸掛，目的是保證車輛良好的曲線通過能力，最小曲線半徑為75 m。最大軸重為23 t，轉(zhuǎn)向架主要參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

構(gòu)架采用箱型鋼板焊接的單橫梁“H”形結(jié)構(gòu)，側(cè)梁和橫梁均由鋼板焊接而成，鋼板材質(zhì)為S355J2W。側(cè)梁上焊接有軸箱定位轉(zhuǎn)臂座、踏面制動(dòng)座、輪盤制動(dòng)座和抗蛇行減振器座，同時(shí)提供二系懸掛支撐。橫梁上焊有電機(jī)座和齒輪箱吊座，橫梁中部與中心銷套和壓板配合，用于構(gòu)架與搖枕的橫向力、縱向力、起吊力的傳遞，構(gòu)架結(jié)構(gòu)如圖1。

1-側(cè)梁；2-橫梁；3-齒輪箱吊座；4-電機(jī)安裝座；5-抗蛇行減振器座；6-輪盤制動(dòng)單元安裝座；7-踏面制動(dòng)單元安裝座。圖1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)

2 美標(biāo)與歐標(biāo)的差異分析

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的臺(tái)架強(qiáng)度試驗(yàn)主要是采用歐標(biāo)EN 13749、鐵標(biāo)TB/T 2368、TB/T 2637以及國(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC 614-4、UIC 515-4，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗(yàn)方法基本一致，其中EN 13749規(guī)定的內(nèi)容最全面、應(yīng)用最廣，根據(jù)不同的用途區(qū)分了干線機(jī)車和客車轉(zhuǎn)向架、地鐵車輛轉(zhuǎn)向架、輕軌車輛轉(zhuǎn)向架、貨車轉(zhuǎn)向架等，我們可以稱其為第1類標(biāo)準(zhǔn)。

美國(guó)公共交通協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)APTA PR-M-RP-009-98，以及雙層通勤車標(biāo)書技術(shù)規(guī)范都對(duì)新造客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)的方式和評(píng)估方法進(jìn)行了規(guī)范，我們可以把這些標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范稱為第2類標(biāo)準(zhǔn)。下面介紹一下這兩大類構(gòu)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的差異。

2.1 試驗(yàn)載荷差異分析

為了更好的對(duì)兩類標(biāo)準(zhǔn)的載荷規(guī)定進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)將試驗(yàn)載荷按照靜強(qiáng)度超常試驗(yàn)載荷、靜強(qiáng)度運(yùn)營(yíng)載荷和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)載荷分別列于表2中。

表2 試驗(yàn)載荷差異

續(xù)表2

2.2 試驗(yàn)評(píng)估方法差異分析

靜強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)的評(píng)估方法差異列于表3中。

2.3 其他主要差異

兩類標(biāo)準(zhǔn)的其他主要差異列于表4中。

表3 試驗(yàn)評(píng)估方法差異

表4 其他主要差異

3 本構(gòu)架試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)載荷

構(gòu)架靜強(qiáng)度試驗(yàn)的超常載荷和運(yùn)營(yíng)載荷的確定方法見表2，其具體數(shù)值見表5。

表5 超常和運(yùn)營(yíng)載荷

疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)垂向載荷的變化范圍為50%車體自重到55%AW3，其數(shù)值大小為241.9～377.8 kN，其他載荷的數(shù)值大小與表5的數(shù)值相同。

圖2顯示了主要疲勞載荷(垂向、橫向和縱向載荷)的組合加載方式，由8種載荷工況循環(huán)加載以模擬構(gòu)架在實(shí)際中的不同的組合受力狀態(tài)。圖2中深色圈表示垂向載荷較大的一側(cè)，淺色圈表示垂向載荷較小的一側(cè)。

3.2 試驗(yàn)過程

超常載荷的靜強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)載荷工況只進(jìn)行一次試驗(yàn)。運(yùn)營(yíng)載荷的靜強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)載荷工況加載不少于4步直至加到最大載荷，然后卸載，以驗(yàn)證應(yīng)力與載荷的線性關(guān)系，并重復(fù)進(jìn)行兩次試驗(yàn)。

依據(jù)美標(biāo)APTA PR-M-RP-009-98的要求，并且為了更充分的驗(yàn)證試驗(yàn)構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度性能，本構(gòu)架計(jì)劃完成1 400萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)。

疲勞試驗(yàn)分3個(gè)階段進(jìn)行：

①第1階段動(dòng)載荷循環(huán)次數(shù)為1 000萬(wàn)次，載荷大小主要依據(jù)表2確定。

②第2階段動(dòng)載荷循環(huán)次數(shù)為200萬(wàn)次，載荷增加10%。

③第3階段動(dòng)載荷循環(huán)次數(shù)為200萬(wàn)次，載荷增加20%。

圖2 主要疲勞載荷加載示意圖

3.3 試驗(yàn)工裝

對(duì)于構(gòu)架的強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)說，由于將懸掛系統(tǒng)全部由剛性工裝替代，工裝模擬輪對(duì)與構(gòu)架的作用方式和自由度，因此更加接近真實(shí)的試驗(yàn)工裝顯得尤為重要。從轉(zhuǎn)向架的實(shí)際結(jié)構(gòu)來(lái)看，構(gòu)架一系彈簧座承受垂向載荷，定位轉(zhuǎn)臂座承受橫向和縱向載荷。為了讓構(gòu)架力的傳遞更符合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)的工裝將垂向支撐桿和假車軸分開，由假車軸和定位轉(zhuǎn)臂工裝組合來(lái)傳遞橫向和縱向力，由垂向支撐傳遞垂向力，垂向支撐桿本身的水平剛度有限，基本不會(huì)承擔(dān)水平力，見圖3。施加的載荷通過作動(dòng)器和工裝作用于出現(xiàn)這些載荷的確切位置。

圖3 試驗(yàn)構(gòu)架約束狀態(tài)

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

有限元計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果均表明，構(gòu)架側(cè)梁上蓋板折彎處、定位轉(zhuǎn)臂座與側(cè)梁下蓋板焊縫處為應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)域，是構(gòu)架最為薄弱的區(qū)域，限于篇幅，文中將重點(diǎn)介紹這些區(qū)域的應(yīng)力情況。這些區(qū)域的三向應(yīng)變片布置位置與編號(hào)見圖4。

圖4 高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)變片布置與編號(hào)

3.4.1超常載荷的靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

按照表5所述，所有測(cè)點(diǎn)的Von-Mises應(yīng)力值不能超過材料屈服強(qiáng)度值，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值見表6。

3.4.2運(yùn)營(yíng)載荷的靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

按照表5所述，母材測(cè)點(diǎn)的Von-Mises應(yīng)力值不能超過屈服強(qiáng)度值的55%，焊縫測(cè)點(diǎn)的Von-Mises應(yīng)力值不能超過AWS D1.1 Part B規(guī)定的數(shù)值。根據(jù)AWS D1.1 Part B對(duì)CJP(接頭完全熔透)坡口焊縫的規(guī)定，垂直于焊縫的拉/壓應(yīng)力的評(píng)估與母材評(píng)估方法相同，平行于焊縫的拉/壓應(yīng)力不進(jìn)行考核，有效面積的剪應(yīng)力不超過填充材料拉伸強(qiáng)度值的0.3倍。實(shí)際焊材的最小拉伸強(qiáng)度值為500 MPa，剪應(yīng)力許用值為150 MPa，見表7。

表6 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值

表7 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值

3.4.3疲勞試驗(yàn)結(jié)果

按照表5所述，母材測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化范圍不能超過Goodman疲勞極限范圍，疲勞極限圖的制定依據(jù)標(biāo)書規(guī)范的要求進(jìn)行，見圖5，再根據(jù)實(shí)際材料的性能制定Goodman疲勞極限圖并進(jìn)行各個(gè)測(cè)點(diǎn)的評(píng)估，見圖6。

圖5 疲勞極限圖的制定方法

焊縫測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化范圍不能超過AWS D1.1 Table 2.5中的臨界疲勞應(yīng)力范圍值FTH。根據(jù)AWS D1.1的規(guī)定，結(jié)合實(shí)際構(gòu)架的材質(zhì)和焊接情況，焊縫測(cè)點(diǎn)位置疲勞應(yīng)力范圍采用B類型，F(xiàn)TH值為110 MPa，測(cè)點(diǎn)的數(shù)值見表8。

圖6 實(shí)際材料的疲勞極限法的評(píng)估

表8 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化值

由圖6和表8可知，這些測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化均非常接近許用值，是疲勞試驗(yàn)過程重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位。疲勞試驗(yàn)過程中每200萬(wàn)次進(jìn)行一次在線探傷，在1 400萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后，拆除所有工裝，對(duì)構(gòu)架表面進(jìn)行全面探傷，也未發(fā)現(xiàn)任何形式的裂紋。

4 結(jié) 論

美標(biāo)和歐標(biāo)對(duì)于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強(qiáng)度試驗(yàn)方法有所差異，通過對(duì)美標(biāo)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法的研究，并應(yīng)用于三系懸掛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)中，試驗(yàn)結(jié)果表明，該構(gòu)架的靜強(qiáng)度滿足要求，疲勞試驗(yàn)也順利通過1 400 萬(wàn)次的試驗(yàn)驗(yàn)證，為轉(zhuǎn)向架安全可靠運(yùn)行提供了重要的保證。同時(shí)，對(duì)類似項(xiàng)目的轉(zhuǎn)向架強(qiáng)度試驗(yàn)方案具有重要的參考價(jià)值。