構(gòu)架彈性振動(dòng)對(duì)疲勞壽命影響研究*

張 麗，任尊松，孫守光，楊 光

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044)

構(gòu)架彈性振動(dòng)對(duì)疲勞壽命影響研究*

張 麗，任尊松，孫守光，楊 光

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044)

近年來國(guó)內(nèi)地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架多次發(fā)生彈性振動(dòng)問題，彈性振動(dòng)對(duì)構(gòu)架疲勞壽命的影響已引起高度關(guān)注。現(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)某型地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，得到了構(gòu)架上發(fā)生彈性振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力特點(diǎn);在建立構(gòu)架有限元模型的基礎(chǔ)上，計(jì)算了構(gòu)架自由振動(dòng)頻率，結(jié)果表明構(gòu)架實(shí)際線路運(yùn)用中彈性振動(dòng)頻率與其某階固有頻率一致;對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)采用去除振動(dòng)主頻率的方法，得到去除彈性振動(dòng)后測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力時(shí)間歷程及分布特性，結(jié)合雨流計(jì)數(shù)法、S－N曲線并應(yīng)用Miner線性疲勞累計(jì)損傷理論，得到發(fā)生彈性振動(dòng)和去除彈性振動(dòng)情況下構(gòu)架上不同部位測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力幅值及疲勞壽命，進(jìn)而獲得構(gòu)架彈性振動(dòng)對(duì)疲勞壽命影響特性。研究結(jié)果表明，發(fā)生彈性振動(dòng)后，構(gòu)架局部位置疲勞壽命將大幅下降，可降至原設(shè)計(jì)壽命的1/3。

構(gòu)架;動(dòng)應(yīng)力;彈性振動(dòng);疲勞壽命;影響

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是地鐵車輛最重要的承載部件之一，它不僅是轉(zhuǎn)向架兩級(jí)懸掛系統(tǒng)和牽引制動(dòng)系統(tǒng)的安裝基礎(chǔ)，而且起著支撐車體、承受并傳遞車體和輪對(duì)之間各種載荷的作用。隨著地鐵車輛運(yùn)行速度提高以及運(yùn)用一段時(shí)間后軌道狀態(tài)惡化，輪軌系統(tǒng)激擾頻率發(fā)生改變，致使構(gòu)架某些部位產(chǎn)生明顯的彈性振動(dòng)，導(dǎo)致這些部位過早產(chǎn)生疲勞裂紋甚至斷裂，嚴(yán)重影響構(gòu)架的疲勞壽命和列車運(yùn)用安全。這些部位主要包括電機(jī)吊座、齒輪箱吊座、構(gòu)架橫側(cè)梁連接處、ATP天線梁等。有鑒于此，開展構(gòu)架高頻彈性振動(dòng)及其對(duì)疲勞壽命影響方面的研究工作是十分必要的。

目前，在構(gòu)架彈性振動(dòng)以及疲勞壽命計(jì)算和預(yù)測(cè)方面，已有研究人員對(duì)其進(jìn)行了探索和研究。劉曉雪［1］和賈倩［2］分別根據(jù)有限元仿真動(dòng)應(yīng)力結(jié)果和實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)力結(jié)果，在動(dòng)應(yīng)力編譜后對(duì)構(gòu)架疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)和評(píng)估;任尊松［3］對(duì)構(gòu)架彈性化處理后，研究了構(gòu)架彈性振動(dòng)，數(shù)值計(jì)算了構(gòu)架動(dòng)態(tài)應(yīng)力，獲得了車輛直線運(yùn)行、曲線及某型道岔通過時(shí)構(gòu)架的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布，為構(gòu)架疲勞壽命的數(shù)值計(jì)算評(píng)估創(chuàng)造了條件;王成國(guó)［4］將構(gòu)架處理為彈性體，通過數(shù)值仿真計(jì)算，研究分析構(gòu)架應(yīng)力分布，并進(jìn)行了疲勞分析。文獻(xiàn)［5］將構(gòu)架作為彈性體處理，模擬計(jì)算了構(gòu)架的結(jié)構(gòu)振動(dòng);文獻(xiàn)［6］同樣將構(gòu)架做彈性體處理，通過仿真分析對(duì)構(gòu)架的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)［7］將構(gòu)架考慮為彈性體，進(jìn)行了通過道岔時(shí)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)振動(dòng)和動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析。但是截至目前，構(gòu)架在運(yùn)用過程中發(fā)生彈性振動(dòng)后對(duì)其疲勞壽命的影響很少涉及。

有鑒于此，擬在測(cè)試某型地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架關(guān)鍵部位動(dòng)應(yīng)力的基礎(chǔ)上，獲得構(gòu)架發(fā)生彈性振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置和振動(dòng)頻率，采用有限元法確認(rèn)該頻率與構(gòu)架自由振動(dòng)頻率的一致性;采用濾波方式去除彈性振動(dòng)對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力和振動(dòng)頻次，得到發(fā)生彈性振動(dòng)和去除彈性振動(dòng)后的構(gòu)架測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力，進(jìn)而獲得彈性振動(dòng)對(duì)構(gòu)架疲勞壽命影響特性，以期對(duì)構(gòu)架發(fā)生彈性振動(dòng)后的使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估。

1 動(dòng)應(yīng)力線路試驗(yàn)及頻譜分析

為了研究地鐵車輛在服役過程中構(gòu)架的彈性振動(dòng)對(duì)疲勞壽命的影響，對(duì)北京某型地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架關(guān)鍵部位進(jìn)行了動(dòng)應(yīng)力測(cè)試，構(gòu)架主要測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。這些測(cè)點(diǎn)主要是在考慮構(gòu)架結(jié)構(gòu)、工藝特點(diǎn)以及載荷傳遞方式等因素后確定，主要分布在構(gòu)架橫側(cè)梁連接部、電機(jī)吊座、齒輪箱吊座、小縱梁、牽引和制動(dòng)座以及定位座周圍等。線路測(cè)試過程中，列車按照運(yùn)營(yíng)條件正常運(yùn)行，最高測(cè)試速度約為70 km/h，多次往返后總測(cè)試?yán)锍碳s為200 km。為模擬載乘工況，測(cè)試過程中車輛裝載沙袋且達(dá)到正常滿載條件。

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析后發(fā)現(xiàn)，電機(jī)吊座和齒輪箱吊座等部位均發(fā)生了一定程度的彈性振動(dòng)。圖2給出了發(fā)生彈性振動(dòng)測(cè)點(diǎn)65和未發(fā)生彈性振動(dòng)測(cè)點(diǎn)82的動(dòng)應(yīng)力時(shí)間歷程，這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)均布置在電機(jī)吊座周圍。由此可見，測(cè)點(diǎn)65的動(dòng)應(yīng)力在－33.2～40.5 MPa之間變化;測(cè)點(diǎn)82的動(dòng)應(yīng)力在－15.7～11.0 MPa之間變化，發(fā)生彈性振動(dòng)的測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力波動(dòng)幅值顯著增大。

圖1 構(gòu)架測(cè)點(diǎn)圖

圖2 電機(jī)吊座周圍測(cè)點(diǎn)82、65動(dòng)應(yīng)力時(shí)間歷程

為了更加直觀地了解發(fā)生彈性振動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力特征，這里取出圖2中圓圈覆蓋部分，其彈性振動(dòng)動(dòng)應(yīng)力時(shí)間歷程如圖3所示，由圖可見，發(fā)生彈性振動(dòng)時(shí)，測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力不僅波動(dòng)幅度大，而且出現(xiàn)頻次高。為了通過彈性振動(dòng)劇烈程度了解彈性振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力特征，圖4給出了該列車ATP天線梁發(fā)生彈性振動(dòng)時(shí)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力時(shí)間歷程，該測(cè)點(diǎn)不僅具有上述65號(hào)測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)出的彈性振動(dòng)特性，而且其動(dòng)應(yīng)力波動(dòng)幅度更大、振動(dòng)頻次更高，表明ATP天線梁的彈性振動(dòng)，明顯較電機(jī)吊座周圍的彈性振動(dòng)劇烈。

圖3 電機(jī)吊座周圍測(cè)點(diǎn)65動(dòng)應(yīng)力特點(diǎn)

圖4 ATP天線梁周圍測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力特點(diǎn)

對(duì)圖3所示彈性振動(dòng)動(dòng)應(yīng)力時(shí)間歷程進(jìn)行FFT變換，得到測(cè)點(diǎn)65的動(dòng)應(yīng)力頻譜圖。圖5所示為測(cè)點(diǎn)82和測(cè)點(diǎn)65的動(dòng)應(yīng)力頻譜對(duì)比圖。由此可見，電機(jī)吊座周圍測(cè)點(diǎn)65彈性振動(dòng)主振頻率為50.8 Hz，而測(cè)點(diǎn)82相比測(cè)點(diǎn)65沒有明顯的彈性主振頻率。

圖5 測(cè)點(diǎn)82、65動(dòng)應(yīng)力頻譜圖

2 構(gòu)架模態(tài)分析

地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在動(dòng)應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞屬于結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞破壞。結(jié)構(gòu)疲勞破壞中包含的一類重要問題是如果交變載荷的頻率與結(jié)構(gòu)的某一階和某幾階共振頻率一致或相接近時(shí)，結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生共振，這時(shí)一定的激勵(lì)將會(huì)產(chǎn)生更大的響應(yīng)，以致更加易于產(chǎn)生破壞［8］。

因此，為了進(jìn)一步確認(rèn)上述頻率50.8 Hz是否為構(gòu)架固有振動(dòng)頻率，這里對(duì)構(gòu)架進(jìn)行模態(tài)分析，得到其前6階彈性振動(dòng)模態(tài)。

2.1 構(gòu)架有限元模型建立

利用大型通用建模軟件Solidworks建立地鐵車輛構(gòu)架實(shí)體模型，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口將構(gòu)架實(shí)體模型以IGES格式導(dǎo)入HyperMesh軟件中采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，參照構(gòu)架的幾何尺寸確定網(wǎng)格尺寸，得到構(gòu)架的有限元模型。

2.2 構(gòu)架模態(tài)分析

利用Ansys中的模態(tài)計(jì)算功能，對(duì)構(gòu)架的模態(tài)頻率進(jìn)行提取，分析中采用了Block Lanczos法［9］?？紤]電機(jī)懸掛質(zhì)量后，構(gòu)架在一定頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)模態(tài)如表1所示。由此可見，頻率50.8 Hz與兩橫梁水平面一階彎曲51.1 Hz(相差近0.587%)比較接近，存在局部范圍的共振。

表1 各階振動(dòng)模態(tài)

3 彈性振動(dòng)對(duì)疲勞壽命影響

3.1 疲勞壽命計(jì)算方法

實(shí)際運(yùn)用中，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力是一個(gè)隨時(shí)間變化的復(fù)雜歷程，在疲勞壽命研究時(shí)首先采用雨流計(jì)數(shù)法，將動(dòng)應(yīng)力的整個(gè)時(shí)間歷程整理成由若干級(jí)大小不同、循環(huán)次數(shù)不等的應(yīng)力水平所構(gòu)成的應(yīng)力譜。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)通常取8級(jí)應(yīng)力譜，即能可靠地反映實(shí)際的動(dòng)應(yīng)力歷程。

Miner理論認(rèn)為材料的疲勞破壞是由于循環(huán)載荷不斷作用產(chǎn)生的損傷不斷積累造成，疲勞損傷達(dá)到破壞時(shí)吸收的凈功與疲勞載荷的加載歷史無關(guān)，并且材料的疲勞損傷程度與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)成正比［10］。大量實(shí)驗(yàn)證明，Miner線性累積損傷為1時(shí)，認(rèn)為被評(píng)估對(duì)象開始產(chǎn)生疲勞破壞。采用 Miner線性累計(jì)損傷法則［11］和NASA［11］針對(duì)變幅加載條件所推薦的S－N曲線形式計(jì)算等效應(yīng)力幅，可使各級(jí)應(yīng)力水平產(chǎn)生的損傷均得到合理的考慮。

由Miner線性疲勞累計(jì)損傷法則，應(yīng)力譜產(chǎn)生的損傷D1可由式(1)確定。式(1)中，ni是與各級(jí)應(yīng)力水平對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，即各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力譜中各級(jí)應(yīng)力的出現(xiàn)次數(shù);C1為S－N曲線參數(shù)，m為材料系數(shù)，對(duì)于普通鋼焊接結(jié)構(gòu)一般取3.5，對(duì)于普通母材一般取5～7;σai為各級(jí)應(yīng)力水平的幅值，Ni是各級(jí)應(yīng)力下循環(huán)到破壞的總循環(huán)次數(shù)。對(duì)于任何部件，在使用壽命期限內(nèi)，其累積損傷是一定值［12］。

設(shè)等效應(yīng)力幅σaeq作用N次后，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷為D，(N是與結(jié)構(gòu)或材料的疲勞極限所對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)一般取200萬次，對(duì)于母材一般取1 000萬次)，即

假設(shè)實(shí)測(cè)應(yīng)力譜運(yùn)行公里數(shù)為L(zhǎng)1(本次試驗(yàn)公里數(shù)為192 km)，一個(gè)應(yīng)力譜產(chǎn)生的損傷為D1，產(chǎn)生總損傷D的安全運(yùn)行里程為L(zhǎng) km，那么由式(3)成立［13］。

代入D和D1的表達(dá)式，可得:

由此，等效應(yīng)力幅計(jì)算公式如式(5)所示。

3.2 電機(jī)吊座典型測(cè)點(diǎn)應(yīng)力譜

采用雨流計(jì)數(shù)法，將測(cè)試得到的各測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力時(shí)間歷程進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)，并編制了構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力幅值較大測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力譜。由于篇幅有限，表2列出了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架電機(jī)吊座上應(yīng)力幅值較大、彈性振動(dòng)明顯的3個(gè)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力幅值譜。由此可見，其最大應(yīng)力均接近或者超過50 MPa。

表2 電機(jī)吊座加強(qiáng)板部位測(cè)點(diǎn)應(yīng)力譜

3.3 疲勞壽命影響分析

由式(1)可知，應(yīng)力幅值增大和頻次增加，均會(huì)引起構(gòu)架損傷增大。事實(shí)上，發(fā)生彈性振動(dòng)后，構(gòu)架局部動(dòng)應(yīng)力幅值增大的同時(shí)，其作用頻次顯著增加。彈性振動(dòng)對(duì)疲勞壽命的影響，目前還沒有相關(guān)理論和方法對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和研究。對(duì)發(fā)生彈性振動(dòng)的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，這里采用去除彈性振動(dòng)主頻率的方法，對(duì)其動(dòng)應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)比去除主振頻率前后測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力變化，研究彈性振動(dòng)對(duì)疲勞壽命的影響。

對(duì)構(gòu)架上發(fā)生彈性振動(dòng)的測(cè)點(diǎn)，采用帶阻濾波方式，濾除與彈性振動(dòng)頻率有關(guān)的應(yīng)力幅值和作用頻次。由前面可知，這里的彈性振動(dòng)主頻率為50.8 Hz，因此對(duì)其進(jìn)行49～52 Hz帶阻濾波處理，濾波后的結(jié)果可認(rèn)為是未發(fā)生彈性振動(dòng)的動(dòng)應(yīng)力值。

圖6對(duì)比了應(yīng)力測(cè)點(diǎn)65濾波前后的動(dòng)應(yīng)力變化。與濾波前相比，濾波后與上述帶阻頻率對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力幅值有所減小，其他頻率范圍內(nèi)動(dòng)應(yīng)力幅值和頻次，均未發(fā)生任何改變。

圖6 去除主頻率處理前后動(dòng)應(yīng)力對(duì)比(測(cè)點(diǎn)65)

依據(jù)上述方法和式(5)，得到的電機(jī)吊座周圍3測(cè)點(diǎn)濾波前后最大應(yīng)力(σmax)、最小應(yīng)力(σmin)以及等效應(yīng)力幅值(σaeq)如表3所示。

表3 典型測(cè)點(diǎn)去除主頻率處理前后等效應(yīng)力幅值對(duì)比

由表3可知，去除主頻率后測(cè)點(diǎn)的σmax，σmin，σaeq均有一定程度的減小。事實(shí)上，采用該種方法處理后，彈性振動(dòng)引起的測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力放大部分被去除，剛性振動(dòng)引起的動(dòng)應(yīng)力值得到保留。

圖7給出了構(gòu)架上主要應(yīng)力測(cè)點(diǎn)帶阻濾波前后360萬運(yùn)行里程時(shí)對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力幅值，圖中為了將構(gòu)架上相同部位測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果繪制在一起，對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了重新編號(hào)，因此圖7中橫坐標(biāo)的測(cè)點(diǎn)編號(hào)并非線路動(dòng)應(yīng)力測(cè)試時(shí)的測(cè)點(diǎn)號(hào)。由此可見，去除主頻率處理后，幾乎所有測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力幅值都有一定程度的減小，且減小程度越大表明彈性振動(dòng)越明顯;電機(jī)吊座周圍的大多數(shù)測(cè)點(diǎn)相對(duì)其他部位測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力幅值在振動(dòng)前后相差較大，表明電機(jī)吊座周圍測(cè)點(diǎn)彈性振動(dòng)較其他部位明顯;此外，齒輪箱吊座、小縱梁與橫梁連接處部分測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力值在振動(dòng)前后也有一定的差異，表明這些部位也發(fā)生了一定程度的彈性振動(dòng)。

圖7 濾波前后測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力幅值比較

由式(1)和式(2)可知，結(jié)構(gòu)損傷與其等效應(yīng)力之間有材料指數(shù)m之間關(guān)系。因此，等效應(yīng)力越大，其使用壽命越低，且呈指數(shù)m減小。圖8給出了主要測(cè)點(diǎn)360萬運(yùn)用里程下，構(gòu)架主要測(cè)點(diǎn)濾波后等效應(yīng)力和濾波前等效應(yīng)力比值，以及由此引起的使用壽命比值差異。測(cè)點(diǎn)82和測(cè)點(diǎn)65的使用壽命偏差值已在圖8中標(biāo)出。

圖8 構(gòu)架上測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力與使用壽命偏差比較(測(cè)點(diǎn)編號(hào)含義同圖7)

由此可見，與未發(fā)生彈性振動(dòng)相比，發(fā)生彈性振動(dòng)后測(cè)點(diǎn)的使用壽命會(huì)有所降低，最大使用壽命偏差值為34%(測(cè)點(diǎn)75)，即發(fā)生彈性振動(dòng)后，其使用壽命變?yōu)樵O(shè)計(jì)壽命的1/3。另外，如果測(cè)點(diǎn)未發(fā)生彈性振動(dòng)，則該測(cè)點(diǎn)等效壽命完全一致，在圖8中表現(xiàn)為等效應(yīng)力比值和使用壽命比值均為1的測(cè)點(diǎn)，這也驗(yàn)證了研究方法的可信性。

4 結(jié)論

通過線路測(cè)試并在獲得構(gòu)架振動(dòng)模態(tài)基礎(chǔ)上，對(duì)發(fā)生彈性振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行主振頻率濾波，獲得了車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架典型測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力譜及彈性振動(dòng)對(duì)構(gòu)架使用壽命影響特性。研究結(jié)果表明:

(1)與未發(fā)生彈性振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力相比，發(fā)生彈性振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力幅值明顯增大、作用頻次明顯增加;

(2)采用濾波方法去除彈性振動(dòng)影響后，等效應(yīng)力和使用壽命偏差表明，發(fā)生彈性振動(dòng)后疲勞壽命降低，約為原設(shè)計(jì)壽命的1/3或者更低。

利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元方法，對(duì)構(gòu)架局部位置彈性振動(dòng)進(jìn)行了確認(rèn)，對(duì)彈性振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)壽命影響進(jìn)行了研究。需要說明，探索引起構(gòu)架彈性振動(dòng)因素以及如何避免這一問題，應(yīng)是下一步重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一。

［1］ 劉曉雪，楊睿璋，佟維.基于動(dòng)應(yīng)力計(jì)算的構(gòu)架疲勞壽命分析［J］.內(nèi)燃機(jī)車，2012，(6):27-30.

［2］ 賈倩，程祖國(guó).基于動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞壽命預(yù)測(cè)［J］.鐵道機(jī)車車輛，2010，30(4):65-68.

［3］ 任尊松，孫守光，李強(qiáng)，等.構(gòu)架結(jié)構(gòu)振動(dòng)與動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40(8):187-192.

［4］ 王成國(guó)，孟廣偉，原亮明，等.新型高速客車構(gòu)架疲勞壽命數(shù)值仿真分析［J］.鐵道學(xué)報(bào).2004，26(4):42-45.

［5］ Claus H，Schiehlen W.Modeling and simulation of railway bogie structural vibrations［J］.Vehicle Systems Dynamics Supplement，1988，28:538-552.

［6］ Stefan Dietz，Helmuth Netter，Delf Sachau.Fatigue Life Prediction of a Railway Bogie under Dynamic Loads through Simulation［J］.Vehicle Systems Dynamics Supplement 1998，29: 385-402.

［7］ 金新燦.通過道岔時(shí)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)振動(dòng)與動(dòng)應(yīng)力分析［D］.北京交通大學(xué)博士論文，2006.

［8］ 姚起杭，姚軍.工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)疲勞問題［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2006，23(1):12-15.

［9］ 袁安富，陳俊.ANSYS在模態(tài)分析中的應(yīng)用［J］.中國(guó)制造業(yè)信息化，2007，36(11):42-44.

［10］ 楊爽.CRH3型高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架抗疲勞能力研究［D］.大連:大連交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

［11］ 趙少汴.抗疲勞設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［12］ 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［13］ 姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

Research on the Influence of Railway Bogie Elastic Vibration to Fatigue Life

ZHANG Li，REN Zunsong，SUN Shouguang，YANG Guang
(College of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University.Beijing 100044，China)

In recent years，the elastic vibration problems has occurred repeatedly in the bogie frame of domestic metro vehicle and its influence on the fatigue life of bogie has been paid high attention.Based on the analysis of dynamic stress test results of the key position points on some type of domestic metro vehicle bogie in time domain and frequency domain，this study achieves the dynamic stress distribution characteristics of the vibration test points on bogie frame.And then the FEM model of the bogie is established to calculate its free vibration frequency.Results show that the elastic vibration frequency of the bogie in service is consistent with a natural frequency.Adopting the method of removing the domain vibration frequency to process the test data，this study obtains the dynamic stress distribution characteristics in time domain of removing the vibration frequency.According to the Rain-flow Counting Method、S－N Curve and Miner Linear Damage Cumulative Rules，the equivalent stress amplitude and fatigue life of test points on different parts of the bogie on elastic vibration and removing elastic vibration circumstances are achieved，so that，the structural elastic vibration characteristics of fatigue life can be obtained.The results show that the fatigue life of the test points on local positions of the bogie frame will drop substantially after the elastic vibration occurs and the minimum can be reduced to the original design life of 1/3.

bogie;dynamic stress;elastic vibration;fatigue life;influence

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.28

1008－7842(2015)02－0115－05

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51175032、U1134201);鐵道部重大科研計(jì)劃項(xiàng)目(2012J009－A)張麗(1988—)女，碩士研究生(

2014－09－05)