關(guān)于提速貨車轉(zhuǎn)向架交叉支撐裝置壽命的研究

劉世軍

摘 要：隨著科研水平的提高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為鐵路貨車提速提供了可能。本文通過應(yīng)力測試得出了交叉支撐裝置的載荷情況，結(jié)合桿身中部疲勞薄弱部位在實際的線路運行中的載荷情況和受損情況，為交叉支撐裝置的室內(nèi)疲勞試驗提供了可靠依據(jù)。從疲勞薄弱部位的室內(nèi)疲勞試驗應(yīng)力譜進(jìn)行分析，以應(yīng)力壽命曲線來分析交叉支撐裝置疲勞薄弱部位的使用壽命，再根據(jù)等效原則，建立了交叉支撐裝置壽命預(yù)測的模型，能夠得出疲勞試驗加載次數(shù)和交叉支撐裝置的實際運行里數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，對鐵路貨車的運行情況進(jìn)行有效監(jiān)測，大大提高了鐵路運輸?shù)陌踩?，有利于我國鐵路運輸事業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：提速貨車 交叉支撐裝置 壽命 研究

中圖分類號：U270 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（a）-0107-02

從國外鐵路貨車運行的經(jīng)驗來看，交叉支撐裝置能夠顯著提高貨車的抗菱剛度，進(jìn)而改善車輛的動力學(xué)性能，提高車輛運行對策安全性和臨界速度，能夠滿足我國鐵路貨車的提速要求。

為了保證交叉支撐裝置的性能安全，需要對交叉支撐裝置的運行情況進(jìn)行分析，評估裝置的疲勞情況，確定裝置的損傷情況和疲勞壽命。目前，對交叉支撐裝置壽命評估一般是采用室內(nèi)評估試驗方式，通過一定的加載循環(huán)次數(shù)進(jìn)行評估。但是該種評估結(jié)果不能明確得出裝置的運用里程。因此，為了解決該項技術(shù)難題，可以采用動應(yīng)力測試的方法，對裝置的損傷情況進(jìn)行分析，進(jìn)而確定裝置的運用里程和疲勞試驗的加載次數(shù)之間的關(guān)系。

本文以某線路上的交叉支撐裝置作為測試對象，進(jìn)行動應(yīng)力測試，以加載識別的方法進(jìn)行評估，對交叉支撐裝置的運用里程和疲勞試驗的加載次數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行探討。

1 動應(yīng)力測試和交叉支撐裝置載荷分析

1.1 動應(yīng)力測試

動應(yīng)力測試目標(biāo)在于為室內(nèi)疲勞試驗創(chuàng)造一種與實際運行工況相近的載荷譜，確定該交叉支撐裝置的使用壽命。為了能夠給室內(nèi)疲勞試驗創(chuàng)造一種與實際運行工況相近的載荷譜，應(yīng)對該交叉支撐裝置進(jìn)行載荷識別。對需要進(jìn)行的載荷識別進(jìn)行分析，區(qū)分載荷的不同性質(zhì)，在離端頭約670 mm的斷面上設(shè)置測點，因為該處的應(yīng)力梯度較小且應(yīng)力信號較大，沿著該交叉支撐裝置布置測點。同時，為了估算出該交叉支撐裝置的桿身疲勞壽命，應(yīng)該對桿身中部的疲勞薄弱部位進(jìn)行測試，即應(yīng)在接環(huán)焊縫處布置測點。如下圖的1～5測點。根據(jù)此前的交叉支撐裝置的桿身動應(yīng)力測試的結(jié)果來看，在桿身斷面上，應(yīng)在截面的上下沿交叉桿中設(shè)置軸線且應(yīng)在垂直環(huán)焊縫除貼兩個應(yīng)變片。如下圖的6、7測點。

從以上測點進(jìn)行分析，可以得出一個應(yīng)力時間歷程。根據(jù)1～5測點數(shù)據(jù)來看，該測點數(shù)據(jù)可以應(yīng)用在載荷識別中，而6、7測點數(shù)據(jù)則主要應(yīng)用于估算疲勞壽命。在該線路運輸過程中，通過6、7測點的連續(xù)應(yīng)力時間歷程得到雨流計數(shù)，可以編制出應(yīng)力譜，因為6測點動力應(yīng)力比7測點大，因此，在表1中編制了6測點產(chǎn)生的8級應(yīng)力譜。

1.2 載荷分析

通過受理、力分析，可以得知交叉支撐裝置的以上4種待識別的載荷分別為橫向力Q、垂向力P、軸向力R、扭矩M。結(jié)合圖1的斷面來看，以材料力學(xué)理論對1～5測點分布情況進(jìn)行分析，可以得出以上4種載荷和測點應(yīng)力之間的關(guān)系：

橫向力

垂向力

軸向力

扭矩

在該式中，d1、d2分別是交叉支撐裝置內(nèi)外徑，分別為48 mm、38 mm，σ1～σ5為1～5測點的應(yīng)力值。W彎是彎矩模的大小，W扭是扭矩模的大小，L為斷面與桿端之間的距離，為670 mm。將以上各測點實測的應(yīng)力時間歷程和參數(shù)值代入到以上公式中，可以得出交叉支撐裝置的4種載荷時間歷程，由此編制出交叉支撐裝置的載荷譜，如表2～表5。

2 室內(nèi)疲勞試驗

2.1 載荷確定

疲勞試驗采用的是齊車公司和上海同濟(jì)大學(xué)設(shè)計的裝置。該裝置通過對交叉支撐裝置施壓，從垂向位移和軸向位移情況來模擬了交叉支撐裝置實際載荷情況，由表2～5交叉支撐裝置的載荷譜可知，軸向荷載確定為±35 kN，且垂向的位移應(yīng)為±5.3 mm，將加載次數(shù)定為200萬次。

2.2 應(yīng)力譜

在上述加載裝置的運行過程中，對該交叉支撐裝置進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)行了200萬次的室內(nèi)疲勞試驗之后，仍然能正常運轉(zhuǎn)。但如果要確定室內(nèi)疲勞試驗的加載循環(huán)次數(shù)和交叉支撐裝置的實際壽命之間的關(guān)系，還應(yīng)進(jìn)行疲勞試驗，在裝置的疲勞薄弱部位進(jìn)行室內(nèi)疲勞試驗。在改進(jìn)的室內(nèi)疲勞試驗方案中，采集了桿身中部的對接環(huán)焊縫處的6測點的動應(yīng)力數(shù)據(jù)，編制了6測點疲勞試驗的應(yīng)力譜，如表6。

3 實際運行壽命和室內(nèi)加載次數(shù)分析

為了確定室內(nèi)加載次數(shù)和交叉支撐裝置的實際運行壽命之間的關(guān)系，還應(yīng)該對構(gòu)件損傷進(jìn)行計算。構(gòu)件損傷指的是疲勞初期材料的內(nèi)部細(xì)微變化情況和裂紋形成及擴(kuò)展情況。在隨機(jī)和變幅加載中，構(gòu)件的疲勞損傷是由于不同幅值和不同頻率荷載產(chǎn)生的損傷，經(jīng)過逐漸的累積過程而形成的結(jié)果。截至目前，已經(jīng)明確指出的累積疲勞損傷有幾十種之多，以線性累計損傷法則來看，由于其使用方便，形式簡單，因而在工程中廣泛使用。本文也采用這種方法進(jìn)行計算。

3.1 損傷計算

根據(jù)線性累計損傷法則，交叉支撐裝置室內(nèi)疲勞試驗的應(yīng)力譜的損傷應(yīng)為。其中，ni是應(yīng)力中的某級應(yīng)力水平在試驗過程中出現(xiàn)的次數(shù)；Ni是某級應(yīng)力水平下該構(gòu)件的使用壽命，由應(yīng)力壽命曲線來確定。其曲線方程如下：。在該式中，N為疲勞試驗的循環(huán)加載次數(shù)，取值為2×106。σ-1為桿身中部的對接焊縫的試驗值，再經(jīng)過了2×106次的疲勞試驗的情況下，得出該處的疲勞極限。σ-1取值為82.6MPa，m是該曲線方程的系數(shù)，以該焊接接頭來說，一般取值為3.5。由此可以得出：，再將表6的各級應(yīng)力值帶入到該式中，可以計算出交叉支撐裝置6測點在室內(nèi)疲勞試驗的損傷為0.8491。再根據(jù)表1，可以計算出在該段線路中，將L取值為1973 km，則6測點的實測損傷應(yīng)為0.001689。

3.2 壽命確定

為建立起一套疲勞試驗加載次數(shù)和交叉支撐裝置的實際運行里數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，以等損傷原則為依據(jù)，計算出了在200萬次的室內(nèi)疲勞試驗中，其對應(yīng)的實際運行里數(shù)如下：。由于測點6為桿身中部的對接環(huán)焊縫，是該交叉支撐裝置最薄弱的部位，因此，對該部位壽命的計算可以得出整個交叉支撐裝置的壽命?；谶@一理論，可以得知，交叉支撐裝置在200萬次的室內(nèi)疲勞試驗中，與實際運行100萬km的線路應(yīng)具有同等作用。

4 結(jié)論

對提速貨車轉(zhuǎn)向架的交叉支撐裝置運行情況進(jìn)行分析，通過室內(nèi)加載試驗的方法，以應(yīng)力分析和加載分析方法，能夠得出交叉支撐裝置實際運行里數(shù)和室內(nèi)加載次數(shù)之間的關(guān)系，為貨車提速提供了參考意見。在提速貨車的交叉支撐裝置中，分別布置了若干個識別點，通過觀察計算，得出了該交叉支撐裝置在實際運行過程中的4種載荷條件和載荷譜。其中，最大的橫向力是225.04N，最大的垂向力是1039.40N，最大的軸向力是35.64N，最大的扭矩是288.49N，這些載荷數(shù)據(jù)分析為室內(nèi)疲勞試驗的加載情況提供了參考依據(jù)。

在工程結(jié)構(gòu)運用中，以等損傷原則為依據(jù)，建立起一套疲勞試驗加載次數(shù)和交叉支撐裝置的實際運行里數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。得出了交叉支撐裝置在室內(nèi)疲勞試驗200萬次加載中，與線路實際運行100萬km的損傷情況相等，這些為以后的交叉支撐裝置運行情況和檢修提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

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