夏東偉，于慶斌，曲涵笑

(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 國(guó)家軌道客車工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130062;2.大連交通大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

2004年前后，黨中央、國(guó)務(wù)院確定了“引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)、聯(lián)合設(shè)計(jì)生產(chǎn)、打造中國(guó)品牌”的鐵路發(fā)展總體方針.在這個(gè)方針的指導(dǎo)下，通過(guò)技術(shù)引進(jìn)、消化吸收再創(chuàng)新，南、北車制造能力，工藝水平得到了大幅度提高，在較短時(shí)間內(nèi)，為中國(guó)鐵路提供了大量時(shí)速250 km、350 km等不同速度等級(jí)動(dòng)車組［1］.我國(guó)自己制造的高速動(dòng)車組馳騁在祖國(guó)大地上，成為一道亮麗的風(fēng)景.

然而，動(dòng)車組的運(yùn)營(yíng)安全關(guān)系到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，車下設(shè)備艙作為動(dòng)車組的重要部件，保障著行車安全.本文開(kāi)展設(shè)備艙動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵部件動(dòng)應(yīng)力的跟蹤測(cè)試，了解并掌握運(yùn)行里程、鏇修周期、線路條件等因素對(duì)零部件動(dòng)應(yīng)力的影響，從而更為準(zhǔn)確的對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞可靠性評(píng)估［2］.圖1為某型動(dòng)車組車下設(shè)備艙示意圖.

圖1 車下設(shè)備艙示意圖

1 試驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集使用HBM公司的eDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它是一種堅(jiān)固的、可獨(dú)立工作的、緊湊型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，專為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì).不同功能的信號(hào)采集板卡可以疊加，靈活組建成或大或小的采集器［3］.多套采集器可以聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同步采集，適合數(shù)百通道的要求.eDAQ具有極高的環(huán)境適應(yīng)能力，適合礦山機(jī)械、工程機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、鐵路車輛、卡車、乘用車等設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)工況載荷數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化耐久性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)［4］.

各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變信號(hào)均進(jìn)行全程連續(xù)采集，采樣頻率為1 000 Hz.測(cè)試工作結(jié)束后，采用北京交通大學(xué)自行開(kāi)發(fā)的JPLAS專用數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理［5］.本試驗(yàn)為了保證載荷信號(hào)的質(zhì)量，采用專門的信號(hào)放大器對(duì)載荷信號(hào)進(jìn)行放大;為了保證應(yīng)變信號(hào)不受環(huán)境溫度的影響，采用一個(gè)工作片與三個(gè)補(bǔ)償片組成的全橋測(cè)量.動(dòng)應(yīng)力測(cè)試工作結(jié)束后，數(shù)據(jù)處理基本流程如圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

2 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算分析結(jié)果，結(jié)合典型結(jié)構(gòu)及重點(diǎn)結(jié)構(gòu)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的原則，選取車體抬車位(焊縫)、設(shè)備艙支架(母材)、牽引變壓器安裝(焊縫)，設(shè)置動(dòng)應(yīng)力長(zhǎng)期跟蹤試驗(yàn)主要跟蹤監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示，表1為設(shè)備艙測(cè)點(diǎn)詳細(xì)說(shuō)明.

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 設(shè)備艙測(cè)點(diǎn)詳細(xì)說(shuō)明

3 牽引變壓器區(qū)域設(shè)備艙動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

基于各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力-時(shí)間歷程，就可以得到各測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力在當(dāng)天運(yùn)行的最大、最小值和幅值.

由測(cè)點(diǎn)布置情況可知，針對(duì)抬車位、設(shè)備艙支架、牽引變壓器等區(qū)域布置了測(cè)點(diǎn)，選取了2017年9月11日和15日典型的數(shù)據(jù)分析以上各個(gè)區(qū)域動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，各個(gè)區(qū)域動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，如表2所示.

圖4和圖5分別為不同區(qū)域的動(dòng)應(yīng)力典型時(shí)域信號(hào)及其頻譜特性.由時(shí)域圖可以看出，牽引變壓器測(cè)點(diǎn) S14、S10、S12、S11、S13、S9 的振動(dòng)范圍分別為-0.79～0.84 MPa、-1.57～1.96 MPa、-0.47～0.47 MPa、-2.74～2.91 MPa、-0.65～0.63MPa、-1.71 ～2.05 MPa，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力幅值出現(xiàn)時(shí)間不同步，且極值出現(xiàn)時(shí)的波形正常，故極值有效［6］.正線運(yùn)營(yíng)平穩(wěn)階段牽引變壓器測(cè)點(diǎn)S14、S12、S13的振動(dòng)幅度相當(dāng)，在0.5 MPa左右波動(dòng)，測(cè)點(diǎn)S10、S9的振幅也相當(dāng)，在1 MPa上下浮動(dòng)，測(cè)點(diǎn) S11的振動(dòng)幅度略高一些，約為2 MPa.從頻域圖可以看出，牽引變壓器測(cè)點(diǎn)的頻譜分布規(guī)律較為一致，振動(dòng)能量以低頻為主，主要集中在4.9Hz處，在0.5Hz也有能量尖峰，但是并不顯著.

表2 動(dòng)應(yīng)力測(cè)試最值與幅值 MPa

圖4 牽引變壓器測(cè)點(diǎn)全程時(shí)域

圖5 牽引變壓器測(cè)點(diǎn)全程頻域圖

4 疲勞強(qiáng)度分析方法

車輛結(jié)構(gòu)的疲勞屬于變幅載荷下的疲勞問(wèn)題［7］.在變幅載荷下，低于疲勞極限的應(yīng)力水平對(duì)于結(jié)構(gòu)的損傷也可產(chǎn)生顯著的影響，因此變幅載荷下結(jié)構(gòu)的疲勞評(píng)估需要考慮各級(jí)應(yīng)力水平對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞損傷的貢獻(xiàn).通用做法是將應(yīng)力譜按損傷相等的原則等效為恒幅應(yīng)力(稱之為等效應(yīng)力幅)［8］.該等效應(yīng)力幅能夠反映結(jié)構(gòu)在一定的工藝條件、運(yùn)用工況和運(yùn)用里程下的動(dòng)應(yīng)力狀況，并采用該等效應(yīng)力幅來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)在運(yùn)用條件下的疲勞強(qiáng)度.

本試驗(yàn)中采用雨流計(jì)數(shù)法對(duì)這些隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行處理，編制滿足工程需要的32級(jí)應(yīng)力譜，隨后根據(jù)Miner線性累計(jì)損傷法則，將各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)循環(huán)次數(shù)下的恒幅等效應(yīng)力［9］.

由Miner線性疲勞累計(jì)損傷法則，計(jì)算測(cè)試一定公里內(nèi)一個(gè)應(yīng)力譜產(chǎn)生的損傷(D1)的公式如下:

式中，ni為各級(jí)應(yīng)力幅值的循環(huán)次數(shù);Ni為各級(jí)應(yīng)力幅值對(duì)應(yīng)的疲勞壽命;C1和m為S-N曲線參數(shù).

設(shè)等效應(yīng)力幅(σaeq)作用N次，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷為D，即

式中，N是與材料或焊接接頭疲勞極限對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù).對(duì)于焊接接頭，一般取N=2×106次.

已知實(shí)測(cè)應(yīng)力譜的運(yùn)行公里數(shù)為L(zhǎng)1，一個(gè)應(yīng)力譜產(chǎn)生的損傷為D1;設(shè)產(chǎn)生損傷D的安全運(yùn)行里程為L(zhǎng)公里，則:

將D1和D的表達(dá)式(1)和(2)代入式(3)，得:

即

如果要求動(dòng)車組設(shè)備艙壽命期大約運(yùn)行1500萬(wàn)km，分別代入σaeq表達(dá)式，就可計(jì)算得出對(duì)應(yīng)整個(gè)壽命期運(yùn)行里程的等效應(yīng)力幅［10］.

5 疲勞強(qiáng)度評(píng)估

為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，持續(xù)監(jiān)測(cè)2016年2月～2017年11月數(shù)據(jù)，在2016年3月9日(始發(fā)站蘭州，運(yùn)行交路C8505-C8506-C8511-C8512-C8517-C8518-C8523-C8524-C8529-C8530，運(yùn)行里程736 km)，數(shù)據(jù)代入第4章公式，算得出現(xiàn)最大1 500萬(wàn)km等效應(yīng)力幅值，發(fā)生在S11測(cè)點(diǎn)，值為6.8 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該部位的許用疲勞應(yīng)力70 MPa(牽引變壓器測(cè)點(diǎn)均為鋼焊縫測(cè)點(diǎn))，因此所有牽引變壓器測(cè)點(diǎn)滿足1 500萬(wàn)km運(yùn)營(yíng)要求.圖6為2016年2月～2017年11月?tīng)恳儔浩鳒y(cè)點(diǎn)1500萬(wàn)km等效應(yīng)力變化曲線，通過(guò)對(duì)比，數(shù)據(jù)穩(wěn)定無(wú)突變.

圖6 牽引變壓器測(cè)點(diǎn)1 500萬(wàn)公里等效應(yīng)力變化曲線圖

6 結(jié)論

設(shè)備艙選材主要金屬的疲勞許用極限值，對(duì)比鋼焊縫、鋁母材、鋁焊縫的疲勞許用極限值，通過(guò)長(zhǎng)達(dá)兩年的跟蹤試驗(yàn)研究，可以得出牽引變壓器、設(shè)備艙支架、抬車位區(qū)域的1 500萬(wàn)km等效應(yīng)力最大值分別為6.8、2.2、6.8 MPa，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其疲勞許用極限(鋼焊縫為70 MPa、鋁母材為78 MPa、鋁焊縫為22 MPa)，因此上述區(qū)域滿足運(yùn)營(yíng)要求.

通過(guò)對(duì)高速動(dòng)車組設(shè)備艙動(dòng)應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)，運(yùn)用Miner線性疲勞累計(jì)損傷法則，得出設(shè)備艙對(duì)應(yīng)整個(gè)壽命期運(yùn)行里程的等效應(yīng)力幅，并與許用疲勞應(yīng)力比對(duì)，對(duì)動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估.通過(guò)測(cè)試結(jié)果，判定在不同運(yùn)行里程下設(shè)備艙等關(guān)鍵部件的安全可靠性，能更精確地評(píng)估設(shè)備艙等部件疲勞強(qiáng)度，并為提高動(dòng)車組的修程修制里程提供依據(jù)，能夠保證動(dòng)車組的安全可靠運(yùn)營(yíng).