IEC 61373兩個版本標準的振動試驗量級對比分析

秦建忠，宋桂環(huán)，李 杰

（1.今創(chuàng)集團股份有限公司，常州 213011； 2.天津航天瑞萊科技有限公司上海分部，上海 201199）

IEC 61373兩個版本標準的振動試驗量級對比分析

秦建忠1，宋桂環(huán)2，李 杰2

（1.今創(chuàng)集團股份有限公司，常州 213011； 2.天津航天瑞萊科技有限公司上海分部，上海 201199）

通過對IEC 61373-1999與IEC 61373-2010鐵路應用機車車輛設備沖擊和振動試驗試驗標準的比較，主要分析了振動試驗中的模擬長壽命試驗的量級變化。兩種版本振動試驗量級變化的原因是標準中采用的S-N模型發(fā)生變化，從而導致計算加速度比的方法有所改變。

加速度比；RMS；疲勞強度曲線

概述

隨著我國高速鐵路網(wǎng)的不斷完善，鐵路軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，由于軌道運行環(huán)境的影響，車上的設備將承受振動沖擊的環(huán)境。列車運行所產(chǎn)生的環(huán)境振動影響越來越受到業(yè)內(nèi)人士的關注，為了保證設備的質(zhì)量，應模擬設備使用環(huán)境條件對其進行振動沖擊試驗。IEC 61373是軌交行業(yè)的通用性振動沖擊試驗標準，標準中涵蓋了模擬長壽命試驗（Simulated long-life test）、沖擊試驗（Shock test）和功能性隨機試驗（Functional vibration test），其中模擬長壽命試驗采用加速振動應力的方式，通過設備每個軸向5小時的振動試驗來等效25年正常運行的振動疲勞損傷。隨著對鐵路機車車輛設備的試驗考核要求越來越高和對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)疲勞損傷模型認識的不斷提高，IEC 61373也在作相應的修正。

目前，國內(nèi)所使用的試驗標準處于IEC 61373-1999[1]和IEC 61373-2010[2]共用的情況。相應的國內(nèi)現(xiàn)行的標準TB/T 3058-2002[3]，GB/T 21563-2008[4]沿用了IEC 61373-1999。為了使試驗人員對兩個版本的試驗標準有較為清晰的認識，本文從原理入手，解釋了試驗標準的區(qū)別。

1 IEC 61373-2010與IEC 61373-1999的區(qū)別

根據(jù)兩個版本標準的對比，功能性隨機振動試驗與沖擊試驗的試驗量級保持不變，而模擬長壽命試驗的振動量級發(fā)生了較大的變化，變化情況見表1。由表1中可以看到，兩個版本的標準中，當試驗件屬于1類或2類安裝的產(chǎn)品時，模擬長壽命試驗的振動均方根值下降幅度為27%～29%，而試驗件屬于3類-車軸安裝的產(chǎn)品時，振動均方根值的下降幅度為52%～53%。究其原因，模擬長壽命試驗的振動量級是通過功能性隨機振動試驗的量級按一定比例（即加速度比）放大，從而縮短試驗時間。量級變化，主要是由于加速度比發(fā)生了變化。

2 兩種版本標準中加速度比的計算方法

2.1 IEC 61373-1999

為縮短試驗時間，該標準選擇增加振幅的方法，為進行模擬長壽命隨機振動試驗。假定試驗件的疲勞損傷D與應力的指數(shù)及循環(huán)次數(shù)成正比見式（1）。

式中：

Nf—循環(huán)次數(shù) ；

Σ— 應力水平；

m— 指數(shù)/加速因子（典型值為3-9）；

α—常數(shù)。

由于隨機振動的均方根值可正比于應力水平，試驗時間可正比于循環(huán)次數(shù)，因此

式中：

Ts—實際服役時間（壽命）；

Tt—試驗時間；

As—實際運行加速度均方根值；At—試驗加速度均方根值。

可根據(jù)式（2），定義加速度比r為

當產(chǎn)品的實際考核壽命按照25年計時，實際服役時間Ts=25%正常壽命=25年壽命×300天/年×10h/天×25%=18750h，試驗時間Tt定為5h，加速因子m按照典型金屬取為4，則此時加速比r為

表1 標準中模擬長壽命試驗條件對比

該版本與1999版所采用的模擬長壽命試驗量級計算思路是相同的，都是通過增加振幅來縮短試驗時間。同時，對于產(chǎn)品疲勞損傷D的定義也基本相同，見式（5）。

式中：

Nf— 循環(huán)次數(shù)；

Δσ— 應力范圍（或者說交變應力幅值）；

m— 指數(shù)（典型值為3～9）；

α— 常數(shù)。

然而相對于1999版中簡單的反冪律S-N模型，2010版中引入了恒幅疲勞極限（Constant amplitude fatigue limit）和截止極限（Cut-off limit），按照循環(huán)次數(shù)的范圍分為3段，詳見圖1。當Δσ大于恒幅疲勞極限時（N＜5×106），S-N曲線與1999版本相同，可定義在常數(shù)α1下，滿足

圖1 典型S-N曲線

式中：m1為1999版本中的m相對應，典型取值為3～9，對于典型金屬，取值為4。

當Δ σ小于恒幅疲勞極限且大于截止極限時（5×106＜N＜1×108），S-N曲線可定義在常數(shù)α2下，滿足

式中：m2=m1+2。

當Δσ小于截止極限時，S-N模型認為產(chǎn)品在疲勞載荷下不會有損傷，N為無窮大。

為了保證車輛設備的實際運行壽命和5個小時的試驗時間內(nèi)所造成的疲勞損傷程度相同，根據(jù)ASD曲線的最小頻率來確定循環(huán)次數(shù)，見表2。

從表2中可以看到，試驗循環(huán)數(shù)處于S-N曲線的第1段，而服役循環(huán)數(shù)處于S-N曲線的第2段。此時，交變應力幅值Δσ還是對應于加速度均方根值，則加速度比r可表示為

對于1、2類，Nt=0.036×106，通過式（8）計算得出，加速度比r為5.66。同理，可算出3類的加速度比r為3.78。

3 結(jié)束語

由于標準中選用的疲勞模型不同及對循環(huán)次數(shù)的定義發(fā)生變化，導致計算加速振動量級時的加速度比從原來1999版的7.83下降為2010版的5.66（1類、2類）和3.78（3類），從而使模擬長壽命試驗的均方根值減小了27%～29%（1類、2類）和52%～53%（3類）。

表2 試驗循環(huán)次數(shù)及服役循環(huán)次數(shù)

由于標準中試驗量級的降低，按照相同的反冪律計算方式，從試驗時間的角度考慮，對于1類和2類車輛設備，2010版的5h只相當于1999版中的26%左右，而對于3類車輛設備，2010版的5h只相當于1999版中的5%左右。一般地，對于相對成熟的車輛設備來說，采用IEC 61 373-2010進行型式試驗，可以適當?shù)厝趸瘜Ξa(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度的要求，降低制造成本；而對于技術(shù)、工藝等都不成熟的車輛設備，考慮到國內(nèi)實際列車運行環(huán)境與國際標準的差異，可以仍然沿用IEC 61373-1999（或TB/T 3058-2002，GB/T 21563-2008），以防止試驗時的欠考核。

另外，由于IEC 61373-2010的S-N曲線中，Δσ主要為對稱循環(huán)（R= -1）中的應力幅值，可以直接對應到產(chǎn)品所受到的加速度均方根值。而對于像列車行李架，污水箱等列車部件，在模擬長壽命試驗中的應力值并非是對稱循環(huán)的，必須考慮平均應力的影響。平均應力會使得疲勞壽命下降[5]，因此在更細致地考慮類似產(chǎn)品的疲勞壽命及加速振動試驗時是比較重要的。

[1] IEC 61373-1999, Railway applications - Rolling stock equipment -shock and vibration tests [S].

[2] IEC 61373-2010, Railway applications - Rolling stock equipment -shock and vibration tests [S].

[3] TB/T 3058-2002,鐵路應用 機車車輛設備沖擊和振動試驗 [S].

[4] GB/T 21563-2008,鐵路應用 機車車輛設備沖擊和振動試驗 [S].

[5] 陳傳堯. 疲勞與斷裂 [M]. 武漢：華中科技大學出版社, 2005.

秦建忠 （ 1966年7月- ），本科，工程師，主要研究方向：軌道交通產(chǎn)品可靠性。

Comparison of Vibration Level Between Two Versions of IEC 61373

QIN Jian-zhong1, SONG Gui-huan2, LI Jie2
（1.KTK GROUP Co., Ltd., Changzhou 213011; 2.Shanghai Branch of Tianjin Aerospace Ruilai Technology Co.,Ltd., Shanghai 201199）

Through comparison of IEC 61373-1999 and IEC 61373-2010, Railway applications - Rolling stock equipment - Shock and vibration tests, the change of vibration level of simulated long-life test is mainly analyzed. The reason of difference is explained in according to the calculation of the acceleration ratio, which is caused by change of S-N modal used in the standard.

acceleration ratio; RMS; fatigue strength curve

O324

A

1004-7204（2015）03-0054-03