高速列車車下設備艙底板的可靠性研究

朱玉晗

中車長春軌道客車股份有限公司

1、概述

自我國引進動車組以來，高速動車組車下設備船的可靠性研究屬于一個比較新的領域，在目前現(xiàn)有的很多設備船設計中，憑經(jīng)驗設計的成分比較多一些，設計師常常以國內(nèi)外類似結構為參考；國際上，對高速動車組的設備船試驗評估標準與可靠性設計規(guī)范尚處于定性層次，無法定量預測和評定高速列車關鍵零部件的可靠性。為了保證這些部件在設計時具有高的可靠性，保證行車安全，需對該結構進行壽命試驗，對高速動車組設備艙及底板的安全性和可靠性進行評估；同時通過獲得符合真實情況的設備艙底板載荷譜為進行結構疲勞壽命可靠性設計和進行以可靠性為中心的維修性設計提供最基礎的條件。

2、設備船結構的三維結構模型

設備艙由裙板、底板、骨架等主要結構組成。由于軟件具有強大的三維建模功能以及與軟件具有良好的接口，方便的進行數(shù)據(jù)交換，可以打大大提高工作效率和工作質(zhì)量。本論文中設備船結構釆用進行實體三維建模，其模型與設備艙底板試驗組合模型保持一致的原則。三維模型中，裙板與骨架、底板與骨架、骨架之間以及設備與設備船的連接方式與實體結構一致。只有三維模型與實際模型保持一致的前提下，有限元模型處理義會更加方便，有限元模型以及仿真能更加準確的反映整個設備船的受力情況以及受力變形情況。

3、設備艙底板組合模型疲勞試驗

(1)疲勞試驗的目的。在疲勞試驗臺條件下對設備船組合模型進行底板的疲勞試驗，從而實現(xiàn)對高速列車車下設備船結構可靠性進行準確的評估。(2)試驗條件測試條件：室內(nèi)疲勞試驗臺條件下進行設備艙組合模型的標定和疲勞試驗。(3)測試對象與內(nèi)容測試對象：試件為設備艙組合模型，模擬現(xiàn)車安裝結構將設備船骨架、裙板、底板、端板組合為一體，形成小型設備船的整體框架式結構，模擬車體結構制作工裝，承載工況更符合實際工況。對底板進行加載試驗，并對蓋板托架、骨架邊梁、底板、裙板布點測試。(4)試驗臺及加載方法：在試驗臺加載中，將設備艙組合模型倒置于地面，并將設備船骨架與地面固定，兩側的裙板施加約朿，兩個作動器通過放置有真空吸盤的鋼板加載到底板上，從而模擬在線路過程中設備船底板所受的氣動載荷。

4、數(shù)據(jù)處理方法

4.1、濾波處理

在動應力的實測過程中，有的個別通道的信號可能會出現(xiàn)大的干擾，對于這種情況，只要干擾是有規(guī)律的，我們都可以通過頻譜分析，找出信號的主要干擾頻率范圍，然后用數(shù)字濾波器將這些干擾信號濾掉。數(shù)字濾波器通常有低通、高通、帶通、帶阻四種頻率選擇。根據(jù)以往實測動應力頻譜特性的分析結果，其主頻均低于，而普通交流電源的頻率為，因此對該信號進行的低通濾波，因此可以將不需要的或者由于交流電源干擾的波形濾掉。而加速度信號，由于加速度信號的頻率比應力信號搞很多，關于加速度的信號本論文數(shù)據(jù)處理不進行濾波處理。

挑選應力時間歷程峰谷值在研究疲勞壽命時，我們關心的是應力時間歷程中的極大值和極小值點(即應力波峰波谷值)，而并不關心介于波峰、波谷值之間的數(shù)據(jù)樣點，因此必須把這些數(shù)據(jù)樣點加以過濾，只留下峰值點和谷值點，這一數(shù)據(jù)處理過程就是挑選應力時間歷程峰谷值。

4.2、小波處理

在數(shù)據(jù)測試過程中，會釆集到很多應力幅值很小的波形，這些應力波形在編制應力譜時構成相當多數(shù)量的小循環(huán)。由于這些應力幅值遠低于疲勞極限，通常我們認為這些應力對結構的疲勞不會造成影響。為此，因此在數(shù)據(jù)處理過程中，我們需要將這些應力值比較小的應力波形剔除掉。本論文中數(shù)據(jù)處理軟件處理這些無效的應力波形為小波處理，通常我們認為應力低于的應力為無效的應力，因此本論文中小波處理的門濫值設為。

5、影響疲勞強度的主要因素

在機械零件中，由于結構上的要求，一般都存在槽溝、軸肩、孔、拐角、切口等截面變化。為方便起見，這些截面變化我們統(tǒng)稱之為缺口。在這些缺口處，不可避免的要產(chǎn)生應力集中，而應力集中又必然使零件的局部應力髙。當零件承受靜載荷時，由于常用的結構材料都是延性材料，有一定的塑性在破壞以前有一個宏觀的塑性變形過程，使零件上的應力重新分配，自動趨于均勻化。因此，缺口對零件的靜強度一般沒有多大影響。而對疲勞破壞則情形完全不同，這時截面上的名義應力尚未達到材料的屈服極限，因此破壞以前不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，沒有像靜載破壞前那樣的載荷重新分配過程。這樣使得應力集中處疲勞強度比光滑部分低，常常成為零件的薄弱環(huán)節(jié)。因此，抗疲勞設計時必須考慮缺口效應。

尺寸效應試樣和零件的尺寸對疲勞壽命的影響很大。一般來說，零件和試樣的尺寸增大時疲勞強度降低。這種疲勞強度隨零件尺寸增大而降低的現(xiàn)象稱為尺寸效應。

用MTS疲勞試驗機對設備艙底板模型進行加載，山于室內(nèi)疲勞試驗模擬工況需比線路試驗惡劣，施加載荷幅值應比線路實測等效載荷要大，考慮動荷系數(shù)，保證90%可靠度，載荷幅值需比等效載荷大30%，同時設備艙骨架又不能承受太大的載荷而導致設備艙骨架在疲勞試驗過程中受損，故加載的載荷幅值為1.6kN，加載頻率為5Hz，進行1000萬次的疲勞試驗，通過試驗驗證，設備艙底板和骨架沒有出現(xiàn)疲勞破壞的裂紋。

結束語

總而言之，探討高速列車車下設備艙底板的可靠性，對于提高道速列車的運行質(zhì)量以及運行效率具有非常重要的意義。

[1]朱文杰.耦合軌道模型的高速列車車下流場仿真技術研究與應用[D].北京交通大學，2016.

[2]王文靜，惠曉龍，馬紀軍.高速列車設備艙支架疲勞裂紋機理研究[J].機械工程學報，2015，51(06)：142-147.

[3]楊社騰.高速列車底板氣動效應研究[D].北京交通大學，2015.