火巧英，金文濤，李東風(fēng)，竇卿，王沖，王康

（1.中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司，江蘇 南京 210031；2.南京雷爾偉新技術(shù)股份有限公司，江蘇 南京 210031；3.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，交通擁堵問(wèn)題成為制約城市發(fā)展的主要因素之一。城市軌道交通運(yùn)轉(zhuǎn)密度高、行車(chē)間隔短、運(yùn)載能力大，同時(shí)又具有安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展城市軌道交通成為有效緩解城市交通擁堵的不二選擇。而隨著城市軌道交通的發(fā)展與鋁合金制造技術(shù)的成熟，城軌車(chē)輛車(chē)體開(kāi)始朝著高速化、輕量化發(fā)展，車(chē)體的輕量化使得其疲勞強(qiáng)度問(wèn)題更為值得關(guān)注[1]。

城市軌道交通的客戶(hù)群體主要是各個(gè)地方政府，客戶(hù)群體的多樣性和個(gè)性化需求促進(jìn)了車(chē)體結(jié)構(gòu)的多樣性。而多樣化的需求就需要城軌車(chē)輛制造企業(yè)在較短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足客戶(hù)要求的產(chǎn)品。車(chē)體作為城軌車(chē)輛的重要承載結(jié)構(gòu)，必須具備極高的安全可靠性，而車(chē)體的抗疲勞能力就是安全可靠性的主要體現(xiàn)形式之一。如何在較短的時(shí)間內(nèi)驗(yàn)證新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力成為新產(chǎn)品研發(fā)的關(guān)鍵。

仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證是考察車(chē)體抗疲勞能力的兩個(gè)主要手段，試驗(yàn)驗(yàn)證不但可驗(yàn)證仿真計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，還可將仿真分析時(shí)考慮不全面的工藝因素考慮在內(nèi)。由于地鐵車(chē)體生產(chǎn)成本高昂，而同種類(lèi)型地鐵車(chē)體側(cè)墻、頂棚以及端墻結(jié)構(gòu)相似，但包含牽枕緩結(jié)構(gòu)在內(nèi)的車(chē)體端部底架結(jié)構(gòu)變化較大，且受力情況復(fù)雜。因此本文按照底架撓度一致性原則，并參考EN 12663-1:2010+A1:2014（以下簡(jiǎn)稱(chēng)EN 12663）[2]和VDV 152-2016（以下簡(jiǎn)稱(chēng)VDV 152）[3]標(biāo)準(zhǔn)制定了城軌車(chē)體端部底架的疲勞試驗(yàn)方案。

目前國(guó)內(nèi)外鐵路車(chē)輛車(chē)體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定的車(chē)體應(yīng)能夠承受的疲勞載荷，但均應(yīng)用于整車(chē)條件下，沒(méi)有對(duì)車(chē)體端部底架的疲勞載荷進(jìn)行規(guī)定，但國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者針對(duì)車(chē)體的疲勞問(wèn)題開(kāi)展了大量的仿真和試驗(yàn)研究工作。

錢(qián)文學(xué)等[4]通過(guò)仿真分析和試驗(yàn)研究確定了底架結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)部位和數(shù)量，應(yīng)用樣本信息融合原理得到了基于小子樣的底架結(jié)構(gòu)概率疲勞性能。薛濤[5]按照UIC 615-4標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊端底架進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)證明了攪拌摩擦焊對(duì)于車(chē)體關(guān)鍵部件的適用性。王杰等[6]采用有限元和動(dòng)力學(xué)仿真相結(jié)合的手段，建立高速列車(chē)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而輸出危險(xiǎn)部位的應(yīng)力時(shí)間歷程，最后采用雨流循環(huán)計(jì)數(shù)法和相應(yīng)的S-N曲線(xiàn)對(duì)高速列車(chē)車(chē)體底架進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)研究。王帥麗等[7]基于斷裂力學(xué)和有限元方法，結(jié)合斷裂參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了含缺陷結(jié)構(gòu)件的安全性評(píng)定以及給定壽命時(shí)的初始裂紋容限。于躍斌等[8]系統(tǒng)總結(jié)了鐵路貨車(chē)車(chē)體疲勞試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)，并以C70E型通用敞車(chē)的重車(chē)車(chē)體疲勞試驗(yàn)為例，驗(yàn)證了車(chē)體的在線(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)模擬和加速疲勞試驗(yàn)的適用性和有效性。

Hyun-Kyu Jun等[9]通過(guò)建立客車(chē)車(chē)體的有限元模型，通過(guò)垂向載荷試驗(yàn)比較仿真與試驗(yàn)時(shí)側(cè)梁的變形，驗(yàn)證了仿真模型的可行性。進(jìn)而采用斷裂力學(xué)的方法計(jì)算客車(chē)底架的臨界裂紋尺寸，并利用地鐵車(chē)輛的線(xiàn)路運(yùn)行試驗(yàn)測(cè)得的載荷譜計(jì)算裂紋擴(kuò)展速率。最終計(jì)算了客車(chē)車(chē)體的剩余壽命。Oomura等[10]以全尺寸不銹鋼車(chē)體為研究對(duì)象，在地板上施加垂向動(dòng)態(tài)載荷，在車(chē)體枕梁部位施加合理的約束，并通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析與對(duì)比，驗(yàn)證了這種方法的有效性。

1 端部底架疲勞試驗(yàn)方案的確定

疲勞破壞是機(jī)械零部件早期失效的主要形式[11]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有80%以上零部件失效是由疲勞引起的。1964年，霍立興[12]解釋了疲勞的概念：“金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化稱(chēng)為疲勞?！敝敝连F(xiàn)在，人們對(duì)于疲勞概念的理解仍然建立在上述描述之上。

地鐵車(chē)輛承受載荷復(fù)雜，車(chē)體作為主要承載部位又是大型復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)。對(duì)于地鐵車(chē)體這種焊接結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由于應(yīng)力集中、焊接缺陷以及焊接殘余應(yīng)力等影響，其疲勞強(qiáng)度會(huì)明顯小于金屬母材[13]。而地鐵端部底架作為轉(zhuǎn)向架和車(chē)體相連接的部位，其承受的載荷也更加大，因此對(duì)其疲勞壽命和疲勞試驗(yàn)方法的研究非常有必要。

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，針對(duì)城軌車(chē)體的疲勞強(qiáng)度研究主要集中在仿真和試驗(yàn)上，而試驗(yàn)手段上主要應(yīng)用力加載這種形式。車(chē)體在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中一直處于慣性振動(dòng)狀態(tài)，這與目前國(guó)內(nèi)普遍采用的疲勞試驗(yàn)方案邊界條件相差較大。因此本文以某型城軌車(chē)體端部底架為研究對(duì)象，依托西南交通大學(xué)的車(chē)體疲勞實(shí)驗(yàn)臺(tái)（圖2）的幫助，采用慣性加載為試驗(yàn)手段制定疲勞試驗(yàn)方案。端部底架三維模型如圖3所示。

圖2 西南交通大學(xué)車(chē)體疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)

圖3 試驗(yàn)對(duì)象

地鐵車(chē)輛端部底架疲勞試驗(yàn)方案采用MTS的液壓站液壓伺服系統(tǒng)、伺服激振控制器和50 t、25 t、10 t、5 t等級(jí)的激振器，可以滿(mǎn)足各種靜強(qiáng)度試驗(yàn)的加載需要，也能滿(mǎn)足疲勞試驗(yàn)的循環(huán)加載需要。數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用DH3821動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。

對(duì)于端部底架來(lái)說(shuō)，其主要包括中心銷(xiāo)安裝座、空簧安裝座和車(chē)鉤安裝座等區(qū)域，需要對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行疲勞試驗(yàn)[14]。疲勞試驗(yàn)主要用來(lái)驗(yàn)證車(chē)體的使用壽命，估計(jì)安全裕量，以及不能被靜強(qiáng)度試驗(yàn)識(shí)別的疲勞點(diǎn)在模擬運(yùn)行載荷條件下有無(wú)發(fā)生裂紋、焊縫開(kāi)裂的危險(xiǎn)[15]。端部底架使用材料的機(jī)械性能及抗疲勞性能如表1所示。

表1 端部底架材料力學(xué)性能

端部底架結(jié)構(gòu)作為車(chē)體的一部分，并不具備整車(chē)的支撐條件，因此需要合理的確定載荷與約束條件，使端部底架的受力狀態(tài)與整車(chē)條件下相一致。

中車(chē)齊齊哈爾交通裝備有限公司通過(guò)對(duì)C70E通用敞車(chē)的全尺寸疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證了慣性加載疲勞試驗(yàn)方案的可行性，因此，考慮通過(guò)慣性加載的方式來(lái)考核城軌車(chē)輛端部底架的抗疲勞能力（圖4）。鋁合金端部底架試驗(yàn)采用車(chē)體疲勞試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行加載。

端部底架的坐標(biāo)系方向定義如下：X方向?yàn)檐?chē)輛行駛方向，Y方向?yàn)闄M向方向，Z方向?yàn)榇瓜蚍较?，如圖5所示。

圖5 端部底架坐標(biāo)系示意圖

垂向施加配重，模擬實(shí)車(chē)條件下的垂向載荷分布?？諝鈴椈纱瓜蛄νㄟ^(guò)六自由度平臺(tái)（圖6）進(jìn)行加載，在端部底架空氣彈簧安裝座位置設(shè)置工裝與試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行連接（圖7），工裝通過(guò)兩組十字交叉的滑動(dòng)軸承釋放橫向和縱向自由度，使得空氣彈簧座位置只傳遞垂向載荷。

圖4端部底架試驗(yàn)方案

圖6 六自由度平臺(tái)

圖7 二系垂向加載

中心銷(xiāo)橫向和縱向力通過(guò)六自由度平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，在中心銷(xiāo)安裝座位置設(shè)置工裝模擬中心銷(xiāo)與車(chē)體的連接，根據(jù)橫向止擋和牽引拉桿距枕梁下平面的高度設(shè)置加力桿與六自由度平臺(tái)相連，用來(lái)傳遞橫向與縱向載荷，如圖8所示。

圖8 中心銷(xiāo)加載示意圖

車(chē)鉤緩沖器縱向力采用液壓作動(dòng)器加載，端部底架前端通過(guò)工裝與另一個(gè)六自由度平臺(tái)相連，用于平衡車(chē)鉤與中心銷(xiāo)的縱向力，試驗(yàn)方案如圖9所示。

圖9 車(chē)鉤力加載工裝

2 疲勞試驗(yàn)載荷的確定

EN 12663《鐵路應(yīng)用 鐵道車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)要求》在跨歐大陸得到了廣泛的應(yīng)用，世界鐵路其他國(guó)家也競(jìng)相采用和借鑒，作為鐵路車(chē)輛結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的地位和作用在歐洲大陸及世界范圍內(nèi)日益顯現(xiàn)[16]。

現(xiàn)端部底架的疲勞試驗(yàn)載荷主要參照EN 12663-2010+A1:2014和VDV 152-2016，由于該試驗(yàn)對(duì)象是車(chē)體的局部，而現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中給定試驗(yàn)載荷均是針對(duì)整車(chē)條件下的試驗(yàn)載荷和邊界條件，因此需要進(jìn)行等效處理。

2.1 垂向靜載荷的確定

由于端部底架缺少端墻、側(cè)墻和頂棚對(duì)剛度的貢獻(xiàn)，因此剛度較低，不能按底架長(zhǎng)度將垂向載荷按比例均布在底架上。因此參考韓國(guó)Hyun-Kyu Jun等通過(guò)底架邊梁撓度驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的方法，確定了通過(guò)底架撓度與整車(chē)狀態(tài)下一致的原則來(lái)確定垂向靜態(tài)載荷的施加方案。將底架分為寬度大致相同的10個(gè)條形區(qū)域，每個(gè)區(qū)域分配不同的重量，如圖10所示。在每個(gè)區(qū)域的邊梁連接處選取測(cè)點(diǎn)，測(cè)試其位移量，使端部底架邊梁的撓度與整車(chē)條件相同。整車(chē)條件下的撓曲線(xiàn)和端部底架的撓曲線(xiàn)對(duì)比結(jié)果如圖11所示。

圖1 齊齊哈爾車(chē)體疲勞試驗(yàn)臺(tái)

圖10 底架配重區(qū)域分布

圖11 撓曲線(xiàn)對(duì)比

2.2 垂向動(dòng)載荷的確定

EN 12663標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了垂向疲勞載荷為±0.15g，由于試驗(yàn)采用慣性加載，因此在枕梁端部布置加速度傳感器，通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)施加位移激勵(lì)，使得底架垂向的振動(dòng)幅值達(dá)到0.15g的目標(biāo)值。

2.3 橫向載荷的確定

端部底架的橫向載荷也采用慣性加載，城軌車(chē)輛在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，橫向力分別由空氣彈簧和中心銷(xiāo)來(lái)承擔(dān)。橫向載荷同樣采用EN 12663標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了橫向疲勞載荷為±0.15g。由于城軌車(chē)輛在運(yùn)營(yíng)時(shí)經(jīng)常處于超員狀態(tài)，因此疲勞載荷確定時(shí)以車(chē)體處于超員狀態(tài)為基準(zhǔn)。

根據(jù)牛頓第二定律力，有：

式中：F為物體受到的力，N；m為物體質(zhì)量，kg；a為物體加速度，m/s2。

當(dāng)車(chē)體處于超員狀態(tài)時(shí)，城軌車(chē)輛重量為47 t，即m＝47 000 kg，車(chē)輛橫向加速度a＝0.15g（g＝9.81 m/s2）。每節(jié)車(chē)輛的兩個(gè)轉(zhuǎn)向架各配備一個(gè)枕梁，共同承載整車(chē)的車(chē)輛橫向慣性力。將數(shù)據(jù)代入式（1），得每個(gè)枕梁承受的車(chē)輛橫向慣性力Fy= 34.6kN 。

該城軌車(chē)輛每個(gè)轉(zhuǎn)向架的空氣彈簧橫向力規(guī)定為7 kN，而車(chē)輛橫向慣性力由空氣彈簧和中心銷(xiāo)共同承載，因此，可得每個(gè)中心銷(xiāo)橫向荷為PFy= 27.6kN 。

但由于被試件不是整車(chē)，通過(guò)加速度測(cè)試得到車(chē)體枕梁位置的加速度為0.15g時(shí)，PFy達(dá)不到27.6 kN，需通過(guò)適當(dāng)放大橫向加速度，使PFy達(dá)到27.6 kN。

2.4 中心銷(xiāo)縱向載荷的確定

中心銷(xiāo)縱向載荷采用力加載方式進(jìn)行試驗(yàn)，EN 12663標(biāo)準(zhǔn)上規(guī)定的試驗(yàn)載荷為±0.15g，并規(guī)定如沒(méi)有其他數(shù)據(jù)的支撐，作用次數(shù)取1000萬(wàn)次，但VDV 152建議的載荷大小與EN 12663相同，但作用次數(shù)為200萬(wàn)次，由于VDV 152建議是專(zhuān)門(mén)針對(duì)地鐵和低地板車(chē)輛的，因此中心銷(xiāo)縱向載荷按VDV 152選取。

每節(jié)城軌車(chē)輛的兩個(gè)轉(zhuǎn)向架各配備一個(gè)中心銷(xiāo)，兩個(gè)中心銷(xiāo)縱向載荷與車(chē)輛縱向慣性力相抵，大小相等，方向相反。當(dāng)車(chē)體處于超員狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)中心銷(xiāo)共同承載整個(gè)車(chē)輛的縱向慣性力，將數(shù)據(jù)代入式（1）得每個(gè)中心銷(xiāo)縱向載荷為Fx= 34.6kN 。

由于垂向與橫向載荷的作用次數(shù)均為1 000萬(wàn)次，為了協(xié)調(diào)加載，按等損傷原則，S-N曲線(xiàn)的指數(shù)取4，將載荷折算為1 000萬(wàn)次，則Fx為23 kN。

2.5 車(chē)鉤縱向載荷的確定

EN 12663中對(duì)于車(chē)鉤載荷的大小沒(méi)有規(guī)定，因此參照VDV 152，主要依據(jù)牽引不同步時(shí)產(chǎn)生的載荷，對(duì)于A型地鐵車(chē)輛，采用4動(dòng)2拖編組，拖車(chē)為首尾車(chē)，每節(jié)車(chē)輛質(zhì)量為m＝47 000 kg。按啟動(dòng)加速度1 m/s2進(jìn)行計(jì)算，將數(shù)據(jù)代入式（1）得，啟動(dòng)時(shí)每節(jié)動(dòng)車(chē)的牽引力Fq= 47kN 。

最大車(chē)鉤力發(fā)生在拖車(chē)和動(dòng)車(chē)連接的車(chē)鉤位置，兩個(gè)車(chē)鉤承受著四節(jié)動(dòng)車(chē)的牽引力，因此可得：

式中：Fxmax為最大車(chē)鉤力，kN。

計(jì)算得：Fxmax=94kN

根據(jù)VDV 152建議，車(chē)鉤力的動(dòng)態(tài)幅值取最大車(chē)鉤力的0.25倍，作用200萬(wàn)次，即車(chē)鉤力的動(dòng)態(tài)幅值為23.5 kN。

同樣將該載荷幅值換算成作用1 000萬(wàn)次，且S-N曲線(xiàn)的指數(shù)取4，則動(dòng)態(tài)幅值為16 kN。

3 疲勞試驗(yàn)載荷譜及波形圖

大小、方向隨時(shí)間作周期性或不規(guī)則的改變的載荷（或應(yīng)力）稱(chēng)之為疲勞載荷（或疲勞應(yīng)力）。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在使用過(guò)程中往往承受著疲勞載荷，與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)力是疲勞載荷，通常將載荷和應(yīng)力隨時(shí)間變化的歷程分別稱(chēng)之為載荷譜或應(yīng)力譜[18]。

如前節(jié)所述，在確定了疲勞試驗(yàn)載荷之后，可得到城軌車(chē)輛端部底架疲勞試驗(yàn)載荷譜，如表2所示。

表2 城軌車(chē)輛端部底架疲勞試驗(yàn)載荷譜

本次疲勞試驗(yàn)載荷循環(huán)次數(shù)均為1000萬(wàn)次，分為三個(gè)階段。前600萬(wàn)次為第一個(gè)階段，600～800萬(wàn)次為第二階段，800～1000萬(wàn)次為第三階段，在第二和第三階段，動(dòng)態(tài)載荷分別為第一階段的1.2倍和1.4倍。加載波形為正弦加載。試驗(yàn)時(shí)中心銷(xiāo)位置的縱向載荷相位與車(chē)鉤縱向載荷按最不利相位進(jìn)行組合。

根據(jù)車(chē)輛過(guò)左右S曲線(xiàn)的情況，確定端部底架疲勞試驗(yàn)疲勞載荷波形圖如圖12所示。

圖12 端部底架疲勞試驗(yàn)疲勞載荷波形圖

按照疲勞試驗(yàn)載荷譜及疲勞載荷波形圖對(duì)城軌車(chē)輛端部底架進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，驗(yàn)證其疲勞強(qiáng)度是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。端部底架疲勞強(qiáng)度的驗(yàn)收準(zhǔn)則為：對(duì)端部底架施加動(dòng)態(tài)載荷，疲勞試驗(yàn)第一階段的600萬(wàn)次不得出現(xiàn)裂紋，第二階段的200萬(wàn)次不得出現(xiàn)裂紋，第三階段的200萬(wàn)次不得出現(xiàn)裂紋。

4 試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

根據(jù)確定的慣性加載方案進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，分別在試驗(yàn)進(jìn)行到400萬(wàn)次、600萬(wàn)次、800萬(wàn)次以及1000萬(wàn)次后進(jìn)行滲透探傷檢查，發(fā)現(xiàn)該型端部底架關(guān)鍵部位均未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，驗(yàn)證了該型端部底架具有足夠的抗疲勞能力。

本文根據(jù)城軌車(chē)輛端部底架的結(jié)構(gòu)和受力特征確定了端部底架疲勞試驗(yàn)方案，并根據(jù)底架撓度一致性原則確定了端部底架疲勞試驗(yàn)配重方案。同時(shí)，參考EN 12663標(biāo)準(zhǔn)和VDV 152建議，編制了城軌車(chē)輛端部底架的疲勞試驗(yàn)載荷譜。最后通過(guò)按照疲勞試驗(yàn)載荷譜及疲勞載荷波形圖進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)，驗(yàn)證了該型城軌車(chē)輛端部底架的疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。