高速列车结构疲劳可靠性2015-06-16 力学进展
高速列车结构疲劳可靠性
王文静, 孙守光
5.1 引言
...疲劳可靠性分析是高速列车关键力学问题中的重要方面之一, 世界各发达国家十分重视机车车辆关键构件的疲劳可靠性问题...结构疲劳可靠性分析涉及材料力学性能、结构构造细节、应力集中情况以及使用环境等多方面, 本文将围绕高速列车关键部件论述在疲劳可靠性研究方法、结构动应力测试和疲劳评估以及载荷谱测试和编制等方面所开展的研究工作.
6.2 结构疲劳可靠性研究方法
结构疲劳可靠性研究通常采用仿真分析、台架试验和线路运行试验 (测定运行中的应力) 3 个层次进行. 其中, 仿真分析是在结构设计阶段的工作, 进行设计优化和强度校核; 台架试验包括静强度和疲劳强度试验, 是对样机强度的校核性鉴定试验, 只有通过静动强度试验的才能投入生产; 线路运行试验是通过测定运行中的动载荷和动应力, 确定实际运行工况的载荷谱和应力谱, 并以此来进行强度评估. 它们之间的关系如图 6.3 所示.
6.3 结构动应力测试与疲劳评估
6.3.1 线路动应力测试
确定转向架构架上的疲劳控制部位是其结构疲劳可靠性评估的关键环节之一 . 所谓疲劳控制部位 , 就是容易出现疲劳裂纹并导致整个构架疲劳失效的部位 . 该部位的寿命代表了构架的总体寿命 . 为了得到结构上疲劳控制部位的应力状态 , 必须实测其应力 -- 时间历程 , 简称动应力 . 国内外通常采用电阻应变片测试动应力 , 该测试方法属于点测量 . 由于焊接构架的结构形式和受力情况比较复杂 , 如何使动应力测点能较准确地反映构架上的疲劳控制部位 , 是确定动应力布片方案时首先要解决的问题 . 一般须涵盖 3 类关注点 , 即静态关注点、动态关注点和结构关注点 , 通过综合强度分析、模态分析和构架细部结构确定测点位置...
6.3.2 疲劳可靠性评估
机车车辆结构疲劳可靠性评估主要涉及两方面问题：一是构件的疲劳寿命曲线 ,一般用常幅加载疲劳试验得到 , 具有很大的离散性 , 通常在经过统计概率处理后表示为具有上下限 (如出现概率为 10% ∼ 90%) 的曲线族 , 即 P– S– N 曲线; 二是构件的工作应力谱, 就是构件在外部载荷作用下产生的应力 -- 时间历程 (动态应力响应, 见图 6.6)...
6.4 结构载荷与载荷谱
...目前 , 在进行机车车辆结构的疲劳寿命预测时 , 对载荷谱的确定一般采用以下 3种方法 : (1) 实测数据 : 通过实际线路试验测试得到构件的动应力 /应变 , 结合标定试验和载荷识别技术 , 统计分析得到需要的载荷谱 ; 或将构件设计为力传感器 , 直接测试得到结构上的载荷 . (2) 估算数据：依据设计目标分析工况 , 结合线路和车辆设计经验对载荷谱进行估计 , 这种方法需要较强的经验积累 . (3) 动力学仿真 : 通过动力学仿真 ,结合部分试验数据 , 获得各种工况下的应力 -- 时间历程 , 通过载荷应力传递关系 , 获得载荷谱 . 上述 3 种方法中 , 以实测数据的准确度最高 , 估算最差 , 动力学仿真介于 2 者之间 . 高速列车运行振动加剧 , 且各部件的服役环境会发生变化 , 正确的确定和表征结构件的服役环境是高速列车结构件疲劳可靠性研究的基础...
6.4.1 动车转向架构架载荷类型
动车组动车转向架构架在运营过程中承受的主要载荷有垂向载荷、横向载荷、纵向载荷、电机载荷、齿轮箱载荷和制动载荷 (图 6.12). 垂向载荷主要由 4 个轴箱弹簧传递, 作用在构架侧梁两端的筒体结构与轴向弹簧的接触面上; 横向载荷主要由定位转臂传递, 通过定位转臂的弹性节点作用在定位臂座的梯形槽位置; 纵向载荷由连接车体的纵向牵引拉杆传递, 通过弹性节点作用在转向架牵引拉杆安装座上; 电机载荷和齿轮箱载荷作用在转向架的电机吊座与齿轮箱吊座上; 制动载荷作用在转向架的制动吊座上.
6.4.2 载荷测试方法
...应变测量法测量结构部件所受的外部载荷, 是通过测量结构部件的应变, 由应变测量值得到外部载荷的大小. 对于承受单向载荷的部件, 通常将结构部件直接加工成传感器, 实现单向载荷独立加载测量系统, 通过实验室内标定试验, 建立载荷与应变桥路输出关系式, 从而得到机械结构部件在实际使用过程中的载荷时间历程. 如为了直接测试轴箱弹簧垂向载荷和定位转臂横向载荷, 可将动车转向架的 4 个轴箱弹簧和 4 个转臂轴箱标定为测力弹簧和测力转臂 (见图 6.13 和图 6.14), 即通过专业力传感器制作工序如布片、封装、信号放大以及加载标定试验等, 将其做成力传感器元件...
6.4.3 载荷特性研究
图 6.15 和图 6.16 分别为曲线通过工况下镟轮前、镟轮后 3 位和 4 位轴箱弹簧载荷 -- 时间历程 , 表 6.1 列出了镟轮前后弹簧载荷的最大值、最小值和幅值 . 可见 , 当列车曲线通过时 , 同一轴的 2 个轴箱弹簧即 3 位和 4 位 ,其载荷波形相反 , 真实反映了车辆曲线通过时的增减载情况 . 在曲线通过工况下 , 镟轮前的轴箱弹簧幅值最大为 6.4 kN; 镟轮后轴箱弹簧幅值最大为 2.8 kN, 镟轮改善了轴箱弹簧的受力状态 ...
6.4.4 载荷谱的编制
由实测载荷数据转化为典型载荷谱的过程称为 “编谱 ”. 编制载荷谱时 , 须满足简化后的载荷谱应与实际情况一致 , 即两者给出的疲劳寿命是一致的 , 根据有限次的实测数据 , 估计出整批产品的载荷变化规律 , 以取得具有代表性的典型谱 (郭治军 2011).载荷谱编制方法包括波动中心法、变均值法、等寿命关系转化法等 . 依据动车组构架的运动特征 , 将构架所受载荷分解为 4 个基本载荷系和 4 个辅助载荷系 , 其中基本载荷系为浮沉载荷系、侧滚载荷系、扭转载荷系和横向载荷系 , 辅助载荷系为牵引载荷系、电机载荷系、齿轮箱载荷系和制动载荷系 . 实际运用条件下 , 这些载荷系既有一定的关联性又不具有同步性 , 当各自编制成载荷系谱后 , 无法再现载荷系之间的关联特性 , 这将会导致载荷系谱与结构实际损伤失去对应性 .
6.5 小结
本文从结构疲劳可靠性研究方法、动应力测试与疲劳评估以及结构载荷谱等方面阐述了高速列车关键部件疲劳可靠性分析方面的研究进展 .
(1) 仿真分析、台架试验和线路运行试验是结构疲劳可靠性研究的必要手段 , 互为补充 , 其中 , 线路动应力试验对确保结构的疲劳可靠性必不可少 ;
(2) 结构动应力与运用线路、运用工况以及车轮磨耗等多种因素相关 ,服役跟踪测试为评定结构疲劳可靠性提供了强有力支撑;
(3) 载荷谱是工程结构强度研究的重要内容 , 解决结构的定寿、延寿问题 . 随着结构的复杂性和运用环境的多样性 , 载荷谱的测试和编制成为工程界研究的热点和难点问题 .
高速列车结构疲劳可靠性
王文静, 孙守光
5.1 引言
...疲劳可靠性分析是高速列车关键力学问题中的重要方面之一, 世界各发达国家十分重视机车车辆关键构件的疲劳可靠性问题...结构疲劳可靠性分析涉及材料力学性能、结构构造细节、应力集中情况以及使用环境等多方面, 本文将围绕高速列车关键部件论述在疲劳可靠性研究方法、结构动应力测试和疲劳评估以及载荷谱测试和编制等方面所开展的研究工作.
6.2 结构疲劳可靠性研究方法
结构疲劳可靠性研究通常采用仿真分析、台架试验和线路运行试验 (测定运行中的应力) 3 个层次进行. 其中, 仿真分析是在结构设计阶段的工作, 进行设计优化和强度校核; 台架试验包括静强度和疲劳强度试验, 是对样机强度的校核性鉴定试验, 只有通过静动强度试验的才能投入生产; 线路运行试验是通过测定运行中的动载荷和动应力, 确定实际运行工况的载荷谱和应力谱, 并以此来进行强度评估. 它们之间的关系如图 6.3 所示.
6.3 结构动应力测试与疲劳评估
6.3.1 线路动应力测试
确定转向架构架上的疲劳控制部位是其结构疲劳可靠性评估的关键环节之一 . 所谓疲劳控制部位 , 就是容易出现疲劳裂纹并导致整个构架疲劳失效的部位 . 该部位的寿命代表了构架的总体寿命 . 为了得到结构上疲劳控制部位的应力状态 , 必须实测其应力 -- 时间历程 , 简称动应力 . 国内外通常采用电阻应变片测试动应力 , 该测试方法属于点测量 . 由于焊接构架的结构形式和受力情况比较复杂 , 如何使动应力测点能较准确地反映构架上的疲劳控制部位 , 是确定动应力布片方案时首先要解决的问题 . 一般须涵盖 3 类关注点 , 即静态关注点、动态关注点和结构关注点 , 通过综合强度分析、模态分析和构架细部结构确定测点位置...
6.3.2 疲劳可靠性评估
机车车辆结构疲劳可靠性评估主要涉及两方面问题：一是构件的疲劳寿命曲线 ,一般用常幅加载疲劳试验得到 , 具有很大的离散性 , 通常在经过统计概率处理后表示为具有上下限 (如出现概率为 10% ∼ 90%) 的曲线族 , 即 P– S– N 曲线; 二是构件的工作应力谱, 就是构件在外部载荷作用下产生的应力 -- 时间历程 (动态应力响应, 见图 6.6)...
6.4 结构载荷与载荷谱
...目前 , 在进行机车车辆结构的疲劳寿命预测时 , 对载荷谱的确定一般采用以下 3种方法 : (1) 实测数据 : 通过实际线路试验测试得到构件的动应力 /应变 , 结合标定试验和载荷识别技术 , 统计分析得到需要的载荷谱 ; 或将构件设计为力传感器 , 直接测试得到结构上的载荷 . (2) 估算数据：依据设计目标分析工况 , 结合线路和车辆设计经验对载荷谱进行估计 , 这种方法需要较强的经验积累 . (3) 动力学仿真 : 通过动力学仿真 ,结合部分试验数据 , 获得各种工况下的应力 -- 时间历程 , 通过载荷应力传递关系 , 获得载荷谱 . 上述 3 种方法中 , 以实测数据的准确度最高 , 估算最差 , 动力学仿真介于 2 者之间 . 高速列车运行振动加剧 , 且各部件的服役环境会发生变化 , 正确的确定和表征结构件的服役环境是高速列车结构件疲劳可靠性研究的基础...
6.4.1 动车转向架构架载荷类型
动车组动车转向架构架在运营过程中承受的主要载荷有垂向载荷、横向载荷、纵向载荷、电机载荷、齿轮箱载荷和制动载荷 (图 6.12). 垂向载荷主要由 4 个轴箱弹簧传递, 作用在构架侧梁两端的筒体结构与轴向弹簧的接触面上; 横向载荷主要由定位转臂传递, 通过定位转臂的弹性节点作用在定位臂座的梯形槽位置; 纵向载荷由连接车体的纵向牵引拉杆传递, 通过弹性节点作用在转向架牵引拉杆安装座上; 电机载荷和齿轮箱载荷作用在转向架的电机吊座与齿轮箱吊座上; 制动载荷作用在转向架的制动吊座上.
6.4.2 载荷测试方法
...应变测量法测量结构部件所受的外部载荷, 是通过测量结构部件的应变, 由应变测量值得到外部载荷的大小. 对于承受单向载荷的部件, 通常将结构部件直接加工成传感器, 实现单向载荷独立加载测量系统, 通过实验室内标定试验, 建立载荷与应变桥路输出关系式, 从而得到机械结构部件在实际使用过程中的载荷时间历程. 如为了直接测试轴箱弹簧垂向载荷和定位转臂横向载荷, 可将动车转向架的 4 个轴箱弹簧和 4 个转臂轴箱标定为测力弹簧和测力转臂 (见图 6.13 和图 6.14), 即通过专业力传感器制作工序如布片、封装、信号放大以及加载标定试验等, 将其做成力传感器元件...
6.4.3 载荷特性研究
图 6.15 和图 6.16 分别为曲线通过工况下镟轮前、镟轮后 3 位和 4 位轴箱弹簧载荷 -- 时间历程 , 表 6.1 列出了镟轮前后弹簧载荷的最大值、最小值和幅值 . 可见 , 当列车曲线通过时 , 同一轴的 2 个轴箱弹簧即 3 位和 4 位 ,其载荷波形相反 , 真实反映了车辆曲线通过时的增减载情况 . 在曲线通过工况下 , 镟轮前的轴箱弹簧幅值最大为 6.4 kN; 镟轮后轴箱弹簧幅值最大为 2.8 kN, 镟轮改善了轴箱弹簧的受力状态 ...
6.4.4 载荷谱的编制
由实测载荷数据转化为典型载荷谱的过程称为 “编谱 ”. 编制载荷谱时 , 须满足简化后的载荷谱应与实际情况一致 , 即两者给出的疲劳寿命是一致的 , 根据有限次的实测数据 , 估计出整批产品的载荷变化规律 , 以取得具有代表性的典型谱 (郭治军 2011).载荷谱编制方法包括波动中心法、变均值法、等寿命关系转化法等 . 依据动车组构架的运动特征 , 将构架所受载荷分解为 4 个基本载荷系和 4 个辅助载荷系 , 其中基本载荷系为浮沉载荷系、侧滚载荷系、扭转载荷系和横向载荷系 , 辅助载荷系为牵引载荷系、电机载荷系、齿轮箱载荷系和制动载荷系 . 实际运用条件下 , 这些载荷系既有一定的关联性又不具有同步性 , 当各自编制成载荷系谱后 , 无法再现载荷系之间的关联特性 , 这将会导致载荷系谱与结构实际损伤失去对应性 .
6.5 小结
本文从结构疲劳可靠性研究方法、动应力测试与疲劳评估以及结构载荷谱等方面阐述了高速列车关键部件疲劳可靠性分析方面的研究进展 .
(1) 仿真分析、台架试验和线路运行试验是结构疲劳可靠性研究的必要手段 , 互为补充 , 其中 , 线路动应力试验对确保结构的疲劳可靠性必不可少 ;
(2) 结构动应力与运用线路、运用工况以及车轮磨耗等多种因素相关 ,服役跟踪测试为评定结构疲劳可靠性提供了强有力支撑;
(3) 载荷谱是工程结构强度研究的重要内容 , 解决结构的定寿、延寿问题 . 随着结构的复杂性和运用环境的多样性 , 载荷谱的测试和编制成为工程界研究的热点和难点问题 .
