鐵路貨車(chē)車(chē)體疲勞試驗(yàn)臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

于躍斌，李　強(qiáng)，李向偉，張　強(qiáng)

(1.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京　100044；2.中車(chē)齊齊哈爾交通裝備有限公司，黑龍江 齊齊哈爾　161002)

目前，鐵路貨車(chē)車(chē)體輕量化設(shè)計(jì)已成為技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。在降低車(chē)輛自重、增加載重的同時(shí)，如何合理均衡車(chē)體輕量化與結(jié)構(gòu)疲勞可靠性之間的矛盾，是鐵路重載貨車(chē)技術(shù)發(fā)展的難題之一。目前車(chē)體輕量化設(shè)計(jì)方法已被廣泛采用，并取得了一定成效，但由于我國(guó)貨車(chē)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累不足，相關(guān)試驗(yàn)條件不完善，設(shè)計(jì)過(guò)程中缺少經(jīng)驗(yàn)等原因，導(dǎo)致了新設(shè)計(jì)的重載貨車(chē)產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)用考驗(yàn)后，暴露出了一些問(wèn)題，其中貨車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)的疲勞失效就是運(yùn)用過(guò)程中反映較為突出的問(wèn)題之一。

基于上述原因，2012年7月，中車(chē)齊齊哈爾交通裝備有限公司借鑒美國(guó)TTCI公司的經(jīng)驗(yàn)，自主設(shè)計(jì)并建造了鐵路貨車(chē)車(chē)體疲勞與整車(chē)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。以該試驗(yàn)臺(tái)為依托，以車(chē)體疲勞的試驗(yàn)方法為主要研究課題，在線路動(dòng)態(tài)響應(yīng)譜的測(cè)試、采集數(shù)據(jù)的處理、試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)文件的編制、車(chē)體疲勞的試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)方面開(kāi)展了一系列的研究，并以C70E型通用敞車(chē)為對(duì)象，對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，取得了良好效果，填補(bǔ)了中國(guó)在此研究領(lǐng)域的空白，也為下一步建立適用于中國(guó)鐵路運(yùn)用條件下的貨車(chē)車(chē)體疲勞可靠性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估體系的制定奠定了基礎(chǔ)。

1　試驗(yàn)臺(tái)組成及試驗(yàn)原理

車(chē)體疲勞試驗(yàn)臺(tái)主要由電液伺服液壓系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電氣控制及安全監(jiān)控系統(tǒng)、測(cè)試數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)、配套基礎(chǔ)設(shè)施等5部分組成，以模擬搖枕的垂向、橫向、縱向作動(dòng)器及車(chē)鉤力作動(dòng)器為加載系統(tǒng)，采用柔性設(shè)計(jì)方法，可滿足軌距為1 000～1 676 mm、車(chē)輛長(zhǎng)度≤27 m、軸重≤40 t的多種鐵路貨車(chē)車(chē)體的疲勞試驗(yàn)[1]。試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

車(chē)體疲勞試驗(yàn)的核心是“車(chē)體在線運(yùn)行狀態(tài)模擬和加速疲勞試驗(yàn)”，即通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)加載系統(tǒng)向車(chē)體施加激勵(lì)，使被試車(chē)體在試驗(yàn)臺(tái)上的振動(dòng)狀態(tài)和受力與車(chē)體在線路運(yùn)行時(shí)基本一致；同時(shí)，為縮短試驗(yàn)時(shí)間，根據(jù)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的S—N曲線，刪除對(duì)車(chē)體不會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷的較小載荷事件，以壓縮試驗(yàn)時(shí)間，從而達(dá)到加速疲勞試驗(yàn)的目的。

1—車(chē)鉤力作動(dòng)器；2—模擬搖枕垂向作動(dòng)器；3—模擬搖枕橫向作動(dòng)器；4—模擬搖枕縱向作動(dòng)器；5—縱向加載桿；6—空氣彈簧支撐裝置；7—模擬搖枕；8—縱向加載框架

圖1試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)時(shí)，將被試車(chē)體支承在2個(gè)模擬搖枕上，并與模擬搖枕上的下心盤(pán)及2個(gè)旁承對(duì)應(yīng)。模擬搖枕下部的空氣彈簧，用于支承貨車(chē)車(chē)體和裝載貨物的總靜載重。2個(gè)模擬搖枕下方的4套垂向液壓作動(dòng)器，用于對(duì)車(chē)體施加垂向動(dòng)態(tài)載荷；側(cè)方的2套橫向液壓作動(dòng)器，用于對(duì)車(chē)體施加橫向動(dòng)態(tài)載荷。每個(gè)模擬搖枕沿車(chē)體縱向水平位置裝有2個(gè)縱向作動(dòng)器，用于平衡車(chē)體兩端不平衡的車(chē)鉤力和制動(dòng)力，并可產(chǎn)生模擬搖枕繞心盤(pán)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即模擬轉(zhuǎn)向架相對(duì)于車(chē)體的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及其產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩。在試驗(yàn)臺(tái)的一端設(shè)有1個(gè)縱向的車(chē)鉤力作動(dòng)器與車(chē)體連接，模擬加載車(chē)鉤力。在車(chē)體的另一端通過(guò)1根縱向加載桿將車(chē)體端部與縱向加載框架的中部橫梁連接起來(lái)，以平衡車(chē)鉤力。上述各作動(dòng)器中，車(chē)鉤力作動(dòng)器采用載荷控制，模擬搖枕上的垂向及橫向作動(dòng)器采用位移控制。這樣，就可以通過(guò)上述加載機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，模擬車(chē)體在線路上的運(yùn)行工況，使車(chē)體在試驗(yàn)臺(tái)上與在線路上的動(dòng)態(tài)響應(yīng)基本一致，實(shí)現(xiàn)了車(chē)體疲勞試驗(yàn)的目的。試驗(yàn)臺(tái)各作動(dòng)器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)臺(tái)作動(dòng)器的主要參數(shù)

該試驗(yàn)臺(tái)除具有車(chē)體疲勞試驗(yàn)功能外，還具有整車(chē)振動(dòng)試驗(yàn)功能，即可進(jìn)行車(chē)輛的模態(tài)試驗(yàn)、振動(dòng)性能試驗(yàn)、裝載捆綁試驗(yàn)、附屬件的可靠性試驗(yàn)及轉(zhuǎn)向架性能參數(shù)測(cè)試等，進(jìn)一步擴(kuò)展了該試驗(yàn)臺(tái)的功能。

2　線路動(dòng)態(tài)響應(yīng)譜測(cè)試

2.1　測(cè)點(diǎn)選取原則

獲得車(chē)體在車(chē)輛運(yùn)營(yíng)期間的線路動(dòng)態(tài)響應(yīng)譜，是進(jìn)行車(chē)體在線運(yùn)行狀態(tài)模擬和加速疲勞試驗(yàn)的第1步，而測(cè)點(diǎn)如何選取是這個(gè)步驟的關(guān)鍵。

進(jìn)行測(cè)試所設(shè)置的測(cè)點(diǎn)根據(jù)其功能，可分為振動(dòng)狀態(tài)測(cè)點(diǎn)、受力狀態(tài)測(cè)點(diǎn)和應(yīng)力狀態(tài)測(cè)點(diǎn)[1]。其中，選取振動(dòng)狀態(tài)測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)能夠反映出車(chē)體剛體的振動(dòng)狀態(tài)；選取受力狀態(tài)測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)選在力的傳遞路徑明顯，且盡可能與試驗(yàn)中的某一驅(qū)動(dòng)力呈線性關(guān)系、而與其他試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)力成正交關(guān)系的區(qū)域；選取應(yīng)力狀態(tài)測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)選在車(chē)體主要結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部位上應(yīng)力集中的區(qū)域，或同類(lèi)車(chē)型在運(yùn)用過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)疲勞裂紋的部位。

在確定測(cè)點(diǎn)時(shí)，還要結(jié)合理論分析結(jié)果及具體的結(jié)構(gòu)型式。如可以對(duì)被試車(chē)體進(jìn)行強(qiáng)度的有限元分析，了解各工況的應(yīng)力分布，確定車(chē)體疲勞的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，以及以車(chē)體靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析結(jié)果作為選取測(cè)點(diǎn)的參考；還可以根據(jù)力的傳遞原理，將測(cè)點(diǎn)選在距離加載位置盡可能近的位置，其與單一作動(dòng)器加載的相關(guān)性越好，如在搖枕加速度測(cè)點(diǎn)和車(chē)體加速度測(cè)點(diǎn)，應(yīng)盡量選在靠近作動(dòng)器加載的位置；多軸狀態(tài)下的應(yīng)力，可通過(guò)應(yīng)變片組橋方式將測(cè)點(diǎn)位置的受力狀態(tài)進(jìn)行解耦，使其主要受單一方向力的影響，方便模擬車(chē)體的受力狀態(tài)，并在應(yīng)力較大的位置布置測(cè)點(diǎn)，用于數(shù)據(jù)刪除和疲勞壽命評(píng)估。

2.2　測(cè)試數(shù)據(jù)采集要求

為確保線路動(dòng)態(tài)響應(yīng)譜中測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性及便于后期的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)注意如下問(wèn)題。

(1)對(duì)線路動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行全程測(cè)試，同時(shí)記錄列車(chē)運(yùn)行速度、列車(chē)實(shí)時(shí)位置、線路狀態(tài)等相關(guān)數(shù)據(jù)，并保證數(shù)據(jù)的同步性。

(2)設(shè)定采樣頻率時(shí)，應(yīng)盡最大可能包含全程數(shù)據(jù)的峰谷值，一般建議采樣頻率設(shè)為512 Hz，濾波截止頻率設(shè)為100 Hz。

(3)測(cè)試線路一般分為專(zhuān)用線路和通用線路2種。對(duì)于專(zhuān)用貨車(chē)可以選擇在該貨車(chē)運(yùn)行的線路上進(jìn)行測(cè)試；對(duì)于通用貨車(chē)，則試驗(yàn)線路應(yīng)選擇具有代表性的線路，能夠充分體現(xiàn)車(chē)輛運(yùn)行的典型環(huán)境，包括規(guī)定的Ⅰ級(jí)線路、Ⅱ級(jí)線路和Ⅲ級(jí)線路，線路區(qū)間應(yīng)有典型的駝峰、平直線、曲線、通過(guò)車(chē)站的側(cè)線道岔等[2]。

3　測(cè)試數(shù)據(jù)處理

3.1　數(shù)據(jù)處理

對(duì)線路測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的目的，是保證處理后的數(shù)據(jù)可靠，為車(chē)體疲勞試驗(yàn)提供真實(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理的通用方法包括：對(duì)數(shù)據(jù)的分類(lèi)、篩選和零漂處理，對(duì)干擾數(shù)據(jù)的去除及設(shè)定截止頻率后的濾波等。在分析過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析是非常重要的環(huán)節(jié)，可以分析測(cè)試數(shù)據(jù)的主要頻譜成分，并根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)能力合理設(shè)定濾波的截止頻率。

3.2　數(shù)據(jù)刪除

為了達(dá)到車(chē)體加速疲勞的試驗(yàn)?zāi)康?，需要?duì)線路測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除、拼接等處理，其方法如下。

(1)對(duì)所測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)作雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)。

(2)根據(jù)各測(cè)點(diǎn)處不同結(jié)構(gòu)的S—N曲線，計(jì)算車(chē)體疲勞損傷，刪除對(duì)車(chē)體疲勞損傷無(wú)影響或影響極小、且為低幅值的振動(dòng)波。

(3)在刪除時(shí)，須保持各波形之間相互的相位關(guān)系，并確保在多個(gè)通道數(shù)據(jù)處理過(guò)程中高幅值的振動(dòng)波不被刪除。

數(shù)據(jù)刪除實(shí)例如圖2所示。由圖2可見(jiàn)：在刪除數(shù)據(jù)時(shí)，只能刪去3個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)中均同時(shí)為低幅值的振動(dòng)波，如圖中a，b和c區(qū)域的振動(dòng)波，這樣才能保證刪剪后各部振動(dòng)數(shù)據(jù)的相位不變，而且保留了高幅值的振動(dòng)信息。

圖2　數(shù)據(jù)刪除實(shí)例

(4)在保持各測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)相位關(guān)系不變的條件下，對(duì)被刪除后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新拼接，形成新的僅保留對(duì)車(chē)體有疲勞損傷作用的高幅值振動(dòng)波。其他數(shù)據(jù)(車(chē)體加速度和車(chē)鉤力)則根據(jù)應(yīng)力數(shù)據(jù)同步進(jìn)行刪除、拼接，最終形成加速車(chē)體疲勞試驗(yàn)的目標(biāo)數(shù)據(jù)。

4　試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)文件編制

在系統(tǒng)(試驗(yàn)臺(tái)+車(chē)體)模型識(shí)別時(shí)，假設(shè)其為線性時(shí)域不變系統(tǒng)，從而得到頻響函數(shù)。根據(jù)初始驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)(各作動(dòng)器初始輸入數(shù)據(jù))、目標(biāo)數(shù)據(jù)(對(duì)線路測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除、拼接后的數(shù)據(jù))與系統(tǒng)識(shí)別的頻響函數(shù)之間的線性關(guān)系，反推得到所需的初始驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)臺(tái)縱向作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)以車(chē)鉤力數(shù)據(jù)為目標(biāo)，垂、橫向作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)以車(chē)體加速度數(shù)據(jù)為目標(biāo)。但實(shí)際上，系統(tǒng)都存在一定程度上的非線性因素，這使得采用按線性系統(tǒng)假設(shè)得到的初始驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)去激勵(lì)系統(tǒng)時(shí)，產(chǎn)生的響應(yīng)數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)之間存在一定誤差，為了消除該誤差，常采用目標(biāo)數(shù)據(jù)逼近迭代的方法逐步修正初始驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，通過(guò)反復(fù)迭代使系統(tǒng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)逼近目標(biāo)數(shù)據(jù)，處理過(guò)程如下。

(1)通過(guò)白粉紅噪聲數(shù)據(jù)激勵(lì)試驗(yàn)臺(tái)，得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣。

(2)根據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)和頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣計(jì)算初始驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，并按此數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行激勵(lì)加載，同時(shí)采集響應(yīng)數(shù)據(jù)。

(3)將測(cè)得的響應(yīng)數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)所得到的誤差，對(duì)初始驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償并再次加載，如此循環(huán)下去，以對(duì)初始驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷地修正。

(4)對(duì)垂、橫、縱向各作動(dòng)器生成的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)，使可能產(chǎn)生最大損傷的應(yīng)力疲勞評(píng)估點(diǎn)的每公里損傷與線路運(yùn)行測(cè)試的每公里損傷誤差在5%以?xún)?nèi)，形成最終的驅(qū)動(dòng)文件。

5　疲勞試驗(yàn)及過(guò)程監(jiān)測(cè)

根據(jù)被試車(chē)體驅(qū)動(dòng)文件的長(zhǎng)度換算等效車(chē)輛運(yùn)行里程，以被試車(chē)體的壽命預(yù)期確定驅(qū)動(dòng)文件的重復(fù)試驗(yàn)周期數(shù)，執(zhí)行驅(qū)動(dòng)文件，進(jìn)入車(chē)體加速疲勞試驗(yàn)階段。

在試驗(yàn)過(guò)程中，參照被試車(chē)體實(shí)際運(yùn)用檢修周期，設(shè)定車(chē)體加速疲勞試驗(yàn)的檢查周期，監(jiān)測(cè)被試車(chē)體的主要結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵焊縫、重要部件等是否發(fā)生裂紋、磨損、變形等。同時(shí)通過(guò)電液伺服協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)和控制軟件，對(duì)被試車(chē)體的測(cè)點(diǎn)、試驗(yàn)臺(tái)及附屬設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行在線監(jiān)控，并設(shè)置異常報(bào)警閾值，做好檢查記錄。

6　試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估

當(dāng)達(dá)到等效車(chē)輛運(yùn)行里程時(shí)，采用目視及無(wú)損探傷等方式，全面檢查被試車(chē)體的狀態(tài)。

如果未出現(xiàn)影響車(chē)輛正常使用的疲勞裂紋、磨損、變形時(shí)，則視被試車(chē)體滿足疲勞壽命考核要求，并建議對(duì)車(chē)體監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)算累計(jì)損傷，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估監(jiān)測(cè)點(diǎn)的疲勞壽命。

如果出現(xiàn)疲勞裂紋，且裂紋長(zhǎng)度已經(jīng)穿透或達(dá)到板厚，或者裂紋擴(kuò)展改變了方向，表明結(jié)構(gòu)的承載情況已經(jīng)變化，記錄此時(shí)的加載時(shí)間，可作為車(chē)體疲勞壽命的定量值[3]。特殊情況下，也可根據(jù)用戶限定的疲勞裂紋長(zhǎng)度、磨損或變形等要求停止試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)加載時(shí)間，并換算為車(chē)輛在線路運(yùn)行的等效里程，即為評(píng)估得到的車(chē)體疲勞壽命。

7　實(shí)例驗(yàn)證

以C70E型通用敞車(chē)在北京—成都間往返運(yùn)行時(shí)的線路動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)上述鐵路貨車(chē)車(chē)體疲勞試驗(yàn)臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。

7.1　線路動(dòng)態(tài)響應(yīng)譜測(cè)試

依據(jù)測(cè)點(diǎn)選取原則，確定了用于模擬車(chē)體振動(dòng)狀態(tài)的測(cè)點(diǎn)8個(gè)，用于模擬車(chē)體受力狀態(tài)的測(cè)點(diǎn)10個(gè)，用于關(guān)鍵部位和大應(yīng)力區(qū)的疲勞損傷檢測(cè)的測(cè)點(diǎn)6個(gè)[4]。圖3為被試車(chē)體測(cè)點(diǎn)的布置圖。

S—車(chē)體應(yīng)變傳感器測(cè)點(diǎn)；A—車(chē)體加速度傳感器測(cè)點(diǎn)位置；F—測(cè)力車(chē)鉤位置

測(cè)試線路為北京西站—成都北站往返全程，途經(jīng)北京、河北、河南、湖北、陜西、四川，往返總運(yùn)行里程為4 280 km。

7.2　測(cè)試數(shù)據(jù)處理

依據(jù)所有測(cè)試通道數(shù)據(jù)保持同步的原則，對(duì)停車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行了同步刪除，然后將各分段數(shù)據(jù)按時(shí)序進(jìn)行連接，采用均值法進(jìn)行零漂處理，并對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了頻譜分析，結(jié)果表明：峰值出現(xiàn)在2.0和7.5 Hz附近，所有測(cè)點(diǎn)的作用能量主要分布在0～15 Hz之間，15 Hz以上能量較低。結(jié)合上述分析結(jié)果，將疲勞試驗(yàn)截止濾波頻率設(shè)置為15 Hz，對(duì)線路測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波[4]。

按照加速疲勞試驗(yàn)原理并根據(jù)結(jié)構(gòu)的S—N曲線[5-7]，對(duì)所有應(yīng)力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行損傷計(jì)算，刪除對(duì)車(chē)體不會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷的較小應(yīng)力事件，并同步進(jìn)行刪除，壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，達(dá)到加速疲勞試驗(yàn)的目的。

北京豐臺(tái)西站—成都北站間往返測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)刪除壓縮后的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2北京西站—成都北站間往返測(cè)試數(shù)據(jù)的刪除壓縮結(jié)果

數(shù)據(jù)區(qū)間初始時(shí)間長(zhǎng)度/h刪除后時(shí)間長(zhǎng)度/h壓縮比率/%北京—成都44.10.3480.79成都—北京47.40.3320.70

7.3　試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)文件編制

按驅(qū)動(dòng)文件編制方法，以車(chē)體4個(gè)枕梁外側(cè)垂向和橫向加速度壓縮數(shù)據(jù)為模擬搖枕作動(dòng)器的目標(biāo)數(shù)據(jù)，以車(chē)鉤力壓縮數(shù)據(jù)為縱向車(chē)鉤力作動(dòng)器的目標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)多次迭代，生成了車(chē)體加速疲勞試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)文件。為校核驅(qū)動(dòng)文件，對(duì)回放時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，加速度均方根誤差小于5%，關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力均方根誤差小于17%，最大損傷的應(yīng)力疲勞評(píng)估點(diǎn)的每公里損傷與線路運(yùn)行測(cè)試的每公里損傷誤差在5%以?xún)?nèi)，結(jié)果表明達(dá)到了試驗(yàn)要求的精度[4]，對(duì)比結(jié)果實(shí)例如圖4所示。

圖4　響應(yīng)數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)之間的對(duì)比

7.4　疲勞試驗(yàn)及過(guò)程監(jiān)控

按照以上述編制的試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)文件進(jìn)行C70E型通用敞車(chē)加載試驗(yàn)。加載時(shí)間換算如下：該車(chē)體設(shè)計(jì)壽命為25 a，空重比例為1∶1，重車(chē)運(yùn)行里程數(shù)為312.5萬(wàn)km。驅(qū)動(dòng)文件中顯示的試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為0.68 h，等效里程為4 280 km，累計(jì)試驗(yàn)加載時(shí)間為312.5/0.428 0×0.68=496.5 h。

在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，控制系統(tǒng)同時(shí)采集被試車(chē)體上所有測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并計(jì)算出每一循環(huán)的損傷，對(duì)各測(cè)點(diǎn)的最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和均方根進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集作動(dòng)器的位移和力傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)車(chē)體疲勞試驗(yàn)臺(tái)及附屬設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)測(cè)點(diǎn)設(shè)定閾值，在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)測(cè)得的響應(yīng)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的閾值后，系統(tǒng)會(huì)給出報(bào)警，并執(zhí)行異常處理程序，自動(dòng)停止試驗(yàn)。

7.5　試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估

重復(fù)執(zhí)行試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)文件共734次，累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間499.12 h，等效總里程約為314.2萬(wàn)km，超過(guò)了評(píng)估的總里程(312.5萬(wàn)km)。

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)車(chē)體進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)車(chē)體的上側(cè)梁和側(cè)墻板端部略有變形，測(cè)量上側(cè)梁旁彎約為19.5 mm,在允許的公差范圍內(nèi)，側(cè)墻板端部最大變形5 mm，不影響車(chē)輛正常運(yùn)用。對(duì)其他重點(diǎn)承載部位及關(guān)鍵焊縫進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，車(chē)體狀態(tài)良好[4]，如圖5所示。

圖5　試驗(yàn)過(guò)程中的車(chē)體檢查情況

根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算可得：車(chē)體一位心盤(pán)外側(cè)中梁八字蓋板處的累積損傷為0.416；車(chē)體一位心盤(pán)內(nèi)側(cè)中梁八字蓋板處的累積損傷為0.307；車(chē)體其他部位測(cè)點(diǎn)的累計(jì)損傷較小，未列入評(píng)估[4]。由于試驗(yàn)結(jié)束后各測(cè)點(diǎn)的疲勞累積損傷均小于1，試驗(yàn)后對(duì)各測(cè)點(diǎn)的探傷檢查也未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果相符。

通過(guò)C70E型通用敞車(chē)車(chē)體疲勞試驗(yàn)的實(shí)例，驗(yàn)證了試驗(yàn)臺(tái)以上各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的有效性，同時(shí)表明基于線路運(yùn)行狀態(tài)模擬加速車(chē)體疲勞試驗(yàn)的方法是科學(xué)的、合理的，能夠?qū)?chē)體的疲勞壽命進(jìn)行客觀的試驗(yàn)評(píng)估。

8　結(jié)　論

(1)車(chē)體疲勞試驗(yàn)的核心原理是車(chē)體的線路運(yùn)行狀態(tài)模擬和加速疲勞試驗(yàn)。鐵路貨車(chē)車(chē)體疲勞試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)包括試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成、線路動(dòng)態(tài)響應(yīng)譜的測(cè)試方法、采集數(shù)據(jù)的處理方法、試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)文件的編制方法、車(chē)體疲勞的試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)估方法。

(2)通過(guò)對(duì)比驅(qū)動(dòng)文件重復(fù)執(zhí)行時(shí)得到的響應(yīng)數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，加速度均方根誤差小于5%，關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力均方根誤差小于17%，試驗(yàn)臺(tái)的模擬精度可以滿足鐵路貨車(chē)車(chē)體疲勞試驗(yàn)的要求。

(3)以北京—成都間為測(cè)試線路，對(duì)C70E型通用敞車(chē)進(jìn)行了車(chē)體疲勞試驗(yàn)，等效重車(chē)運(yùn)行總里程314.2萬(wàn)km，車(chē)體狀態(tài)良好。該車(chē)體疲勞試驗(yàn)的完成，驗(yàn)證了文中提出的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的有效性。

[1]李向偉，張強(qiáng)，曹志禮，等.鐵路貨車(chē)車(chē)體疲勞試驗(yàn)方法研究報(bào)告[R ]. 齊齊哈爾：齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，2014:1-12.

[2]李向偉，張強(qiáng)，呂大力，等.鐵路貨車(chē)車(chē)體疲勞試驗(yàn)規(guī)范 [R]. 齊齊哈爾：齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，2014:2-4.

[3]李向偉，張強(qiáng)，呂大力，等.鐵路貨車(chē)車(chē)體疲勞壽命評(píng)估方法研究報(bào)告 [R]. 齊齊哈爾：齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，2014:14-18.

[4]張強(qiáng)，李向偉，李文全，等.C70E型通用敞車(chē)車(chē)體疲勞試驗(yàn)報(bào)告[R]. 齊齊哈爾：齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，2014:5-8.

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[7]IIW Joint Working Group.ⅩⅢ-1539-07/XV-1254r4-07 IIW Document Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components[S]. Paris: IIW/IIS, 2008.