夏東偉，于慶斌，曲涵笑

(1.中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 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、國務(wù)院確定了“引進先進技術(shù)、聯(lián)合設(shè)計生產(chǎn)、打造中國品牌”的鐵路發(fā)展總體方針.在這個方針的指導(dǎo)下，通過技術(shù)引進、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，在較短時間內(nèi)，為中國鐵路提供了大量時速250 km、350 km等不同速度等級動車組［1］.我國自己制造的高速動車組馳騁在祖國大地上，成為一道亮麗的風(fēng)景.

然而，動車組的運營安全關(guān)系到人民的生命財產(chǎn)安全，車下設(shè)備艙作為動車組的重要部件，保障著行車安全.本文開展設(shè)備艙動應(yīng)力試驗研究，通過對關(guān)鍵部件動應(yīng)力的跟蹤測試，了解并掌握運行里程、鏇修周期、線路條件等因素對零部件動應(yīng)力的影響，從而更為準(zhǔn)確的對結(jié)構(gòu)進行疲勞可靠性評估［2］.圖1為某型動車組車下設(shè)備艙示意圖.

圖1 車下設(shè)備艙示意圖

1 試驗原理

實驗數(shù)據(jù)采集使用HBM公司的eDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它是一種堅固的、可獨立工作的、緊湊型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，專為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和自動監(jiān)測而設(shè)計.不同功能的信號采集板卡可以疊加，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，適合礦山機械、工程機械、農(nóng)用機械、鐵路車輛、卡車、乘用車等設(shè)備的現(xiàn)場工況載荷數(shù)據(jù)采集和試驗場強化耐久性試驗的數(shù)據(jù)［4］.

各個測點的應(yīng)變信號均進行全程連續(xù)采集，采樣頻率為1 000 Hz.測試工作結(jié)束后，采用北京交通大學(xué)自行開發(fā)的JPLAS專用數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理［5］.本試驗為了保證載荷信號的質(zhì)量，采用專門的信號放大器對載荷信號進行放大;為了保證應(yīng)變信號不受環(huán)境溫度的影響，采用一個工作片與三個補償片組成的全橋測量.動應(yīng)力測試工作結(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 測點布置

根據(jù)強度計算分析結(jié)果，結(jié)合典型結(jié)構(gòu)及重點結(jié)構(gòu)重點監(jiān)測的原則，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)置動應(yīng)力長期跟蹤試驗主要跟蹤監(jiān)測點，如圖3所示，表1為設(shè)備艙測點詳細(xì)說明.

圖3 測點布置圖

表1 設(shè)備艙測點詳細(xì)說明

3 牽引變壓器區(qū)域設(shè)備艙動應(yīng)力測試結(jié)果

基于各測點應(yīng)力-時間歷程，就可以得到各測點動應(yīng)力在當(dāng)天運行的最大、最小值和幅值.

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

圖4和圖5分別為不同區(qū)域的動應(yīng)力典型時域信號及其頻譜特性.由時域圖可以看出，牽引變壓器測點 S14、S10、S12、S11、S13、S9 的振動范圍分別為-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，各個測點的應(yīng)力幅值出現(xiàn)時間不同步，且極值出現(xiàn)時的波形正常，故極值有效［6］.正線運營平穩(wěn)階段牽引變壓器測點S14、S12、S13的振動幅度相當(dāng)，在0.5 MPa左右波動，測點S10、S9的振幅也相當(dāng)，在1 MPa上下浮動，測點 S11的振動幅度略高一些，約為2 MPa.從頻域圖可以看出，牽引變壓器測點的頻譜分布規(guī)律較為一致，振動能量以低頻為主，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 動應(yīng)力測試最值與幅值 MPa

圖4 牽引變壓器測點全程時域

圖5 牽引變壓器測點全程頻域圖

4 疲勞強度分析方法

車輛結(jié)構(gòu)的疲勞屬于變幅載荷下的疲勞問題［7］.在變幅載荷下，低于疲勞極限的應(yīng)力水平對于結(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)的疲勞評估需要考慮各級應(yīng)力水平對結(jié)構(gòu)疲勞損傷的貢獻.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、運用工況和運用里程下的動應(yīng)力狀況，并采用該等效應(yīng)力幅來評估結(jié)構(gòu)在運用條件下的疲勞強度.

本試驗中采用雨流計數(shù)法對這些隨機信號進行處理，編制滿足工程需要的32級應(yīng)力譜，隨后根據(jù)Miner線性累計損傷法則，將各測點的應(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線性疲勞累計損傷法則，計算測試一定公里內(nèi)一個應(yīng)力譜產(chǎn)生的損傷(D1)的公式如下:

式中，ni為各級應(yīng)力幅值的循環(huán)次數(shù);Ni為各級應(yīng)力幅值對應(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應(yīng)的循環(huán)次數(shù).對于焊接接頭，一般取N=2×106次.

已知實測應(yīng)力譜的運行公里數(shù)為L1，一個應(yīng)力譜產(chǎn)生的損傷為D1;設(shè)產(chǎn)生損傷D的安全運行里程為L公里，則:

將D1和D的表達式(1)和(2)代入式(3)，得:

即

如果要求動車組設(shè)備艙壽命期大約運行1500萬km，分別代入σaeq表達式，就可計算得出對應(yīng)整個壽命期運行里程的等效應(yīng)力幅［10］.

5 疲勞強度評估

為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，持續(xù)監(jiān)測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，運行交路C8505-C8506-C8511-C8512-C8517-C8518-C8523-C8524-C8529-C8530，運行里程736 km)，數(shù)據(jù)代入第4章公式，算得出現(xiàn)最大1 500萬km等效應(yīng)力幅值，發(fā)生在S11測點，值為6.8 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該部位的許用疲勞應(yīng)力70 MPa(牽引變壓器測點均為鋼焊縫測點)，因此所有牽引變壓器測點滿足1 500萬km運營要求.圖6為2016年2月～2017年11月牽引變壓器測點1500萬km等效應(yīng)力變化曲線，通過對比，數(shù)據(jù)穩(wěn)定無突變.

圖6 牽引變壓器測點1 500萬公里等效應(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，對比鋼焊縫、鋁母材、鋁焊縫的疲勞許用極限值，通過長達兩年的跟蹤試驗研究，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)域滿足運營要求.

通過對高速動車組設(shè)備艙動應(yīng)力測試試驗，運用Miner線性疲勞累計損傷法則，得出設(shè)備艙對應(yīng)整個壽命期運行里程的等效應(yīng)力幅，并與許用疲勞應(yīng)力比對，對動應(yīng)力測試結(jié)果進行結(jié)構(gòu)可靠性評估.通過測試結(jié)果，判定在不同運行里程下設(shè)備艙等關(guān)鍵部件的安全可靠性，能更精確地評估設(shè)備艙等部件疲勞強度，并為提高動車組的修程修制里程提供依據(jù)，能夠保證動車組的安全可靠運營.