貨車車體疲勞試驗(yàn)載荷譜編制方法研究

安中偉，趙方偉

（1 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院 機(jī)車車輛所，天津300142；2 北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044）

貨車車體疲勞試驗(yàn)載荷譜編制方法研究

安中偉1，趙方偉2

（1 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院 機(jī)車車輛所，天津300142；2 北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044）

以C70車體為研究對象，實(shí)測得到車體載荷數(shù)據(jù)和疲勞關(guān)鍵部位的應(yīng)力數(shù)據(jù)。對實(shí)測數(shù)據(jù)用于車體臺(tái)架疲勞試驗(yàn)的載荷譜編制方法進(jìn)行了研究，提出了利用車體載荷和應(yīng)力同步響應(yīng)關(guān)系編制疲勞試驗(yàn)載荷譜的方法。依據(jù)損傷等效原則，剔除了對車體損傷無貢獻(xiàn)的小應(yīng)力循環(huán)，簡化濃縮了應(yīng)力時(shí)間歷程。利用載荷和應(yīng)力測試的同步性，對實(shí)測載荷時(shí)間歷程進(jìn)行簡化和濃縮，編制了適用于車體臺(tái)架疲勞試驗(yàn)的載荷譜。結(jié)合累積損傷理論，對比分析了濃縮前后車體疲勞損傷，驗(yàn)證了該方法的可行性和準(zhǔn)確性。

貨車車體；疲勞試驗(yàn)；載荷譜；損傷

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路貨運(yùn)量大幅增長，鐵路貨車車體結(jié)構(gòu)疲勞斷裂問題日益突出。貨車車體的疲勞可靠性問題是制約貨車裝備技術(shù)提升的關(guān)鍵因素。目前研究車體疲勞可靠性的主要方法包括仿真計(jì)算、線路實(shí)測試驗(yàn)和模擬疲勞試驗(yàn)［1］。仿真計(jì)算方便、快捷、成本低，但只能對疲勞可靠性進(jìn)行趨勢性分析和驗(yàn)證。線路試驗(yàn)可以反映車體的真實(shí)工況，但試驗(yàn)周期長、成本高。模擬疲勞試驗(yàn)可以用較短的周期、較高的效率來進(jìn)行試驗(yàn)。模擬疲勞試驗(yàn)是以線路實(shí)測振動(dòng)信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，利用室內(nèi)疲勞試驗(yàn)臺(tái)對整車進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)，真實(shí)的再現(xiàn)車體在線路運(yùn)行時(shí)載荷對車體的影響［2］。進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的關(guān)鍵是編制科學(xué)、準(zhǔn)確的試驗(yàn)載荷譜。

文獻(xiàn)［3］提出了試驗(yàn)臺(tái)載荷譜編制原則，設(shè)定門檻值為12%以消除小載荷的方法。文獻(xiàn)［4］在小載荷壓縮中根據(jù)實(shí)際提出了18%的門檻值。兩者研究的均為摩托車疲勞試驗(yàn)臺(tái)載荷譜編制，并未驗(yàn)證小載荷消除前后損傷等效原則。

分析線路實(shí)測應(yīng)力時(shí)間歷程，研究小應(yīng)力循環(huán)對貨車車體損傷情況，濃縮應(yīng)力時(shí)間歷程，利用車體載荷與應(yīng)力的實(shí)測同步對應(yīng)關(guān)系，簡化濃縮載荷時(shí)間歷程，剔除不產(chǎn)生損傷的載荷時(shí)間，編制貨車車體疲勞試驗(yàn)載荷譜?；谄趽p傷等效原則對該試驗(yàn)載荷譜編制方法的可行性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 線路載荷譜試驗(yàn)

以通用線70t級敞車為研究對象進(jìn)行線路實(shí)測試驗(yàn)。通過綜合分析車體有限元靜力計(jì)算結(jié)果及車體應(yīng)力集中的復(fù)雜焊縫結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)營中車體常出現(xiàn)疲勞裂紋的位置，確定疲勞關(guān)鍵部位。測試線路為北京到哈爾濱的鐵路通用線［5］。布置測力車鉤傳感器用來測試車體縱向載荷，心盤傳感器測試車體心盤垂向載荷，測力旁承傳感器測試車體側(cè)滾和扭轉(zhuǎn)載荷。車體底架焊接疲勞關(guān)鍵部位布置應(yīng)變計(jì)以測試應(yīng)力。應(yīng)變計(jì)布置位置如圖1所示。

利用德國IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測試信號(hào)數(shù)據(jù)，載荷和應(yīng)力信號(hào)完全同步采集是編制疲勞試驗(yàn)載荷譜的前提。將測試載荷和應(yīng)力信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行系數(shù)轉(zhuǎn)化、零漂、濾波等預(yù)處理獲得干凈無干擾的真實(shí)信號(hào)［6］。

2 試驗(yàn)載荷譜編制

2.1 濃縮應(yīng)力時(shí)間歷程

在實(shí)際運(yùn)營條件下，對車體損傷影響較小的載荷占了較大比例。應(yīng)力是載荷作用在車體上的響應(yīng)，載荷通過應(yīng)力來影響結(jié)構(gòu)的疲勞特性。由于測試時(shí)間上的同步性，將線路試驗(yàn)采集的應(yīng)力時(shí)間歷程簡化和濃縮，通過去除無效的應(yīng)力小循環(huán)，可同步的去除對車體結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生損傷的無效載荷作用時(shí)間段，達(dá)到簡化線路測試載荷時(shí)間歷程編制車體臺(tái)架試驗(yàn)載荷譜的目的。因此，通過濃縮應(yīng)力時(shí)間歷程來濃縮載荷時(shí)間歷程。

試驗(yàn)中布置的應(yīng)變計(jì)分別是各工況作用下車體應(yīng)力較大的部位，通過多應(yīng)力點(diǎn)同時(shí)濃縮應(yīng)力時(shí)間歷程，可保留對車體造成損傷的各種載荷，真實(shí)的在臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M車體的實(shí)際受載形式。

濃縮應(yīng)力時(shí)間歷程首先要確定各應(yīng)力測點(diǎn)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞截止極限ΔσL。依據(jù)焊接接頭疲勞評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)BS EN 1993《鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)與評估》標(biāo)準(zhǔn)確定車體焊縫的疲勞截止極限［7］。

圖2為不同焊接接頭形式的S－N曲線，參照實(shí)際要評價(jià)的接頭形式，選取對應(yīng)的曲線類型，就可以獲得相應(yīng)的疲勞截止極限。

名義應(yīng)力范圍下材料的疲勞強(qiáng)度是由S－N曲線表示的，每條曲線對應(yīng)一種典型焊接結(jié)構(gòu)。每種焊接結(jié)構(gòu)被指定一個(gè)ΔσL值，它代表結(jié)構(gòu)在2×106次應(yīng)力循環(huán)下對應(yīng)的許用應(yīng)力范圍。常用的S－N曲線為兩段式延伸疲勞強(qiáng)度曲線。

當(dāng)NR≤5×106時(shí)，m＝3，表達(dá)式為

當(dāng)5×106≤NR≤108時(shí)，m＝5，表達(dá)式為

式中ΔσD為恒幅載荷疲勞極限。

式中ΔσL為截止疲勞極限。

利用式（3）、式（4）可求得各應(yīng)力測點(diǎn)的截止疲勞極限?；诎踩紤]，車體焊接結(jié)構(gòu)的疲勞截止極限均選取ΔσL＝22.66 MPa，高于該值的應(yīng)力循環(huán)定義為有效的應(yīng)力循環(huán)，否則為無效的應(yīng)力循環(huán)，將其剔除。

利用雨流計(jì)數(shù)法對應(yīng)力時(shí)間歷程進(jìn)行循環(huán)統(tǒng)計(jì)［8］。在雙參數(shù)雨流計(jì)數(shù)法的基礎(chǔ)上，引入時(shí)間的概念，構(gòu)成時(shí)間、峰值和谷值3參數(shù)雨流計(jì)數(shù)法。通過3參數(shù)計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)出任何一個(gè)循環(huán)的起止時(shí)間和應(yīng)力范圍。

圖3為試驗(yàn)過程中某應(yīng)力測點(diǎn)的一段應(yīng)力時(shí)間歷程。

利用3參數(shù)雨流計(jì)數(shù)法對該段應(yīng)力時(shí)間歷程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果列于表1。

從表1看到每個(gè)應(yīng)力循環(huán)峰值和谷值的時(shí)刻被有效記錄，根據(jù)峰谷值可以計(jì)算循環(huán)的應(yīng)力范圍，根據(jù)應(yīng)力范圍與疲勞截止極限的關(guān)系，可以判斷應(yīng)力循環(huán)是否有效。

對圖3所示數(shù)據(jù)段進(jìn)行濃縮，如圖4所示，陰影部分為剔除的數(shù)據(jù)。

以每個(gè)應(yīng)力循環(huán)的峰值和谷值為中心線，分別向兩側(cè)擴(kuò)展時(shí)間Δt（Δt為一個(gè)應(yīng)力循環(huán)的平均作用時(shí)間），用于保留一個(gè)完整的應(yīng)力循環(huán)。各測點(diǎn)的應(yīng)力循環(huán)作用時(shí)間大致為0.5 s，選取Δt＝0.5 s。剔除無效循環(huán)后的結(jié)果如圖5所示。

2.2 濃縮載荷時(shí)間歷程

刪除無效的應(yīng)力循環(huán)時(shí)間段時(shí)，同步刪除對應(yīng)時(shí)間段的載荷數(shù)據(jù)，編制有效、準(zhǔn)確的試驗(yàn)載荷譜。圖6為車鉤縱向載荷時(shí)間歷程濃縮前后對比圖。

線路實(shí)測時(shí)長約為93 h，數(shù)據(jù)原始長度為334 800 s。濃縮后時(shí)間長度為1 818 s，只保留了原始數(shù)據(jù)的0.54%左右，各載荷的極值沒有改變，載荷較大的時(shí)刻均被有效的保留。

3 載荷譜有效性驗(yàn)證

3.1 應(yīng)力時(shí)間歷程有效性驗(yàn)證

濃縮應(yīng)力時(shí)間歷程的方法是刪除不產(chǎn)生損傷的應(yīng)力循環(huán)，依據(jù)損傷等效原則，濃縮前后的應(yīng)力時(shí)間歷程產(chǎn)生相同的損傷。

根據(jù)圖2所示S－N曲線，依據(jù)濃縮前后的應(yīng)力譜分段計(jì)算損傷。

當(dāng)NR≤5×106時(shí)，結(jié)合式（1），可得折線第1段損傷Di

當(dāng)5×106≤NR≤108時(shí)，結(jié)合式（2），可得折線第2段損傷D′i

最后根據(jù)線性累積損傷原則，對應(yīng)力譜的數(shù)據(jù)分別按以上過程進(jìn)行計(jì)算，從而得出計(jì)算部位的總損傷為

式中nEi為表示第i應(yīng)力級的循環(huán)數(shù)；NRi、N′Ri為第i級應(yīng)力水平下達(dá)到疲勞破壞的循環(huán)數(shù)。

根據(jù)疲勞損傷累計(jì)理論計(jì)算的各測點(diǎn)應(yīng)力損傷見圖7。從圖7可以看出，各應(yīng)力測點(diǎn)濃縮前后損傷基本相同，差別最大的2號(hào)測點(diǎn)，誤差控制在1.55%以內(nèi)，符合損傷等效原則，說明濃縮應(yīng)力時(shí)間歷程的方法合理。

3.2 載荷時(shí)間歷程有效性驗(yàn)證

濃縮載荷時(shí)間歷程的方法是刪除不產(chǎn)生損傷的無效載荷，驗(yàn)證濃縮載荷時(shí)間的方法合理的依據(jù)是濃縮前各分載荷對車體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷保持一致。

載荷譜濃縮前后，對同一應(yīng)力測點(diǎn)利用式（5）和式（6）進(jìn)行車鉤、浮沉、扭轉(zhuǎn)以及側(cè)滾載荷譜的分損傷計(jì)算，將各載荷造成的損傷累積相加得到該測點(diǎn)總損傷。計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出，濃縮前后載荷對車體各應(yīng)力測點(diǎn)的損傷基本保持一致，測點(diǎn)2差別最大的2號(hào)測點(diǎn)，誤差控制在10%以內(nèi)，在允許的車體設(shè)計(jì)壽命范圍內(nèi)，滿足損傷等效原則，說明濃縮載荷時(shí)間歷程的方法準(zhǔn)確、合理。

對比圖7和圖8可以看出，利用應(yīng)力譜和載荷譜分別計(jì)算的車體損傷基本相同，也進(jìn)一步驗(yàn)證了利用濃縮應(yīng)力時(shí)間歷程來編制貨車車體試驗(yàn)臺(tái)載荷譜的方法準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

以C70車體為研究對象，線路實(shí)測了車體載荷數(shù)據(jù)和疲勞關(guān)鍵部位應(yīng)力數(shù)據(jù)。剔除了對損傷無貢獻(xiàn)的應(yīng)力循環(huán)，簡化濃縮了應(yīng)力時(shí)間歷程，利用載荷和應(yīng)力測試的同步性，濃縮了載荷時(shí)間歷程，編制了車體臺(tái)架試驗(yàn)載荷譜，依據(jù)累積損傷理論計(jì)算了濃縮前后造成的損傷，得到如下結(jié)論：

（1）各應(yīng)力測點(diǎn)濃縮前后損傷基本相同，最大誤差控制在1.55%以內(nèi)，符合損傷等效原則。

（2）通過對大量數(shù)據(jù)分析，得出對車體產(chǎn)生損傷的載荷時(shí)間只占了整個(gè)載荷時(shí)長的0.54%左右。實(shí)際測試中，對貨車車體造成損傷的循環(huán)數(shù)占了很小一部分。

（3）濃縮前后載荷對車體各應(yīng)力測點(diǎn)的損傷基本保持一致，最大誤差控制在10%以內(nèi)，在允許的車體設(shè)計(jì)壽命范圍內(nèi)，滿足損傷等效原則，驗(yàn)證了依據(jù)應(yīng)力編制試驗(yàn)臺(tái)載荷譜方法的合理性。

［1］ 劉震濤，劉宏瑞，葉 曉，等.發(fā)動(dòng)機(jī)連桿拉壓模擬疲勞試驗(yàn)臺(tái)研制［J］.機(jī)電工程，2011，28（6）：653-658.

［2］ 張 恒.大秦線2萬噸重載列車車體模擬線路加載疲勞試驗(yàn)載荷譜研究［D］.北京交通大學(xué)，2010.

［3］ 平 安，王德俊.隨機(jī)疲勞載荷的處理及載荷譜編制原則［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，15（4）：327-331.

［4］ 張迎輝，單麗君，何衛(wèi)東.摩托車疲勞試驗(yàn)臺(tái)載荷譜編制［J］.大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，25（4）：39-42.

［5］ 謝基龍.載重70 t級鐵路貨車通用線路載荷譜試驗(yàn)大綱［R］.北京交通大學(xué)，2012.

［6］ 周素霞，謝基龍，趙方偉，等.基于概率分布函數(shù)的動(dòng)車組車軸應(yīng)力譜試驗(yàn)分析［J］.中國鐵道科學(xué)，2013，34（2）：95-98.

［7］ BS EN 1993-1-9 Eurocode3：Design of steel structures-Part1-9：Fatigue［S］.

［8］ DOWNING S D，SOCIE D F.Simple rainflow counting algorithms［J］.International Journal of Fatigue，1982，（1）：31-40.

Study on Load Spectrum Compiling Method of Wagon Carbody Fatigue Test

AN Zhongwei1，ZHAO Fangwei2
（1 The Third Railway Survey and Design Institute，Tianjin 300142，China；2 School of Mechanical，Electronic Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

C70 carbody is taken as the research object.The car body load data is obtained by load test as well as the stress data of fatigue critical parts.The method of utilizing the measured data for compiling fatigue test load spectrum is studied，and the way of using relationship of carbody load and stress response for compiling fatigue test load spectrum is put forward.According to the damage equivalent principle，the small stress cycle which has no contribution to carbody damage is cut out，and stress time history is simplified and concentrated.By using synchronicity of load and stress test，load time history is concentrated as well.Combining with the cumulative damage theory，the carbody fatigue damage before and after concentration is analyzed in comparison.The feasibility and accuracy of this method is verified.

wagon carbody；fatigue test；load spectrum；damage

U272.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.13

1008－7842（2014）06－0054－04

7—）男，助理工程師（

2014－05－07）