臺車架橫梁測試方法研究

王小剛+王春香+于灝+趙鈺龍

摘 要：本文從斷裂機(jī)理出發(fā)通過有限單元法分析確定疲勞關(guān)鍵部位，依據(jù)運(yùn)動特性分解基本載荷系，分析國內(nèi)外研究成果，進(jìn)而提出測試方案，方案包括信號的測試和數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。此測試方案運(yùn)用于實(shí)際對生產(chǎn)與設(shè)計都有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：干熄焦 臺車架 測試方法

中圖分類號：U461.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0111-03

干熄焦車的主要部件與火車的轉(zhuǎn)向架一樣，臺車架主要的作用是聯(lián)系車輪與車體。支撐車體所有重量包括車體零部件與車上載荷，所以臺車架的工作狀態(tài)直接決定了整車的運(yùn)行情況與安全情況。經(jīng)過實(shí)際測試，干熄焦車中最易發(fā)生破壞的零部件就是臺車架橫梁。因此，能夠準(zhǔn)確、有效地計算和測試臺車架橫梁的應(yīng)力、應(yīng)變等信息對于設(shè)計與生產(chǎn)都非常重要[1-2]。為確定橫梁的破壞原因，本文應(yīng)用有限元法分析確定了臺車架的疲勞關(guān)鍵部位[3]，提出了一套測試臺車架疲勞關(guān)鍵部位應(yīng)力的測試方法，分析了載荷并確定了測定位置、制定了測試電路和選定了采樣頻率，詳細(xì)介紹了信號處理的必要性與基本的步驟[4-5]。此測試方案運(yùn)用于實(shí)際對生產(chǎn)與設(shè)計都有一定的參考價值。干熄焦車臺車架（如圖1）在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)橫梁斷裂如圖2所示。

1 工況分析

對臺車架進(jìn)行分析，首要的是了解干熄焦車臺車架的運(yùn)行情況。干熄焦車的構(gòu)成如下：每個臺車架上安裝有兩個輪軸，每輪軸上安裝車輪一對。車輪運(yùn)行于鐵軌之上，鐵軌型號p50。每干熄焦車需臺車架兩組，在兩組臺車之上安置主梁一架。干熄焦車在工作時會搭載提升主梁一架、焦罐一個、焦炭21t。其工況如表1所示。整個運(yùn)焦過程共用時20min，最大載荷時應(yīng)力為58.6MPa，如圖3所示。滿足靜強(qiáng)度條件，其斷裂原因需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究。

2 測試系統(tǒng)

本研究主要測試臺車架橫梁應(yīng)力關(guān)鍵處的應(yīng)力，采用同步連續(xù)測試系統(tǒng)[3，5]。測試系統(tǒng)由：被測橫梁、傳感器（應(yīng)變片）、信號采設(shè)備、存儲設(shè)備和供電設(shè)備組成。采集設(shè)備采為HBM公司eDAQ數(shù)據(jù)采集設(shè)備。eDAQ小巧耐用，可獨(dú)立工作，適應(yīng)能力高，適合礦山、冶金與農(nóng)業(yè)機(jī)械，是專門為采集數(shù)據(jù)與實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)而設(shè)計，采用了大容量的存儲設(shè)備，有效防止了數(shù)據(jù)過大溢出損失寶貴數(shù)據(jù)，供電可以采用獨(dú)立電池供電，不但可以降低電壓變化的影響而且操作靈活，便于攜帶和布置測試系統(tǒng)。

3 測量電路

應(yīng)變片的工作原理是應(yīng)變-電阻效應(yīng)，在實(shí)際的測試中，橫梁的變型是十分微小的。所以需要測量電路，把電阻的變化轉(zhuǎn)變成模電信號，然后再通過放大就可以得到測試需要的數(shù)據(jù)了。應(yīng)用最廣的就是惠斯登電橋（如圖4），其中ac端接電源，bd為輸出端，輸出電壓為V0：

4 測點(diǎn)布置

為了保證測試的準(zhǔn)確可靠，同時又盡可能地降低測試的成本。第一步要準(zhǔn)確確定疲勞關(guān)鍵部位。采用理論與實(shí)際相結(jié)合的方法。一方面統(tǒng)計臺車架橫梁斷裂紋的位置，在坐標(biāo)系中畫出這些裂紋，然后找到其破壞中心位置。另一方面采用現(xiàn)在比較流行的有限元分析方法，建造三維實(shí)體模型，用軟件分析找到其疲勞關(guān)鍵部位（如圖3所示）。其中黃色部位是應(yīng)力集中部位，也就是疲勞關(guān)鍵部位。這與實(shí)際中破壞的部位是一致的，所以在此處安裝傳感器（如圖5所示）。

5 采樣頻率

采樣頻率要依據(jù)臺車架的最高頻率進(jìn)行指定。實(shí)際測試中常取被測系統(tǒng)最大頻率的10倍作為采樣頻率。可以有效抑制縮減混疊現(xiàn)象，避免不必要的信息損失。較高的采樣頻率可以提供高的分辨率。但是高采樣頻率會占用大量內(nèi)存和增加處理時間，耗費(fèi)資源與增加研究周期，所以取到合適頻率就好，不可一味追求高采樣頻率。有軌車輛的實(shí)際載荷時間歷程頻率在40Hz以下[5]，所以取500Hz進(jìn)行采樣。

6 信號處理

首先要對實(shí)測信號進(jìn)行預(yù)處理，然后對其進(jìn)行正式處理。測試儀器十分復(fù)雜現(xiàn)場條件較差，所以測試難免受到影響，得到與研究無關(guān)甚至有害的信號。因此需要對采集的信號進(jìn)行預(yù)處理，包括：去除毛刺、去除零點(diǎn)漂移和濾波處理。電磁干擾或是臺車架顛簸碰撞都有可能造成毛刺生成，毛刺信號往往頻率較高，振幅較大而且十分隨機(jī)，其對應(yīng)力譜高頻分量的影響十分大，所以為了應(yīng)力譜的準(zhǔn)確性與有效性就一定要去掉數(shù)據(jù)中的毛刺，去除毛刺信號前后對比如圖6。由于在疲勞研究中，最重要的不是應(yīng)力-時間歷程中的過渡值點(diǎn)，而是峰谷值，峰谷值的數(shù)目與疲勞壽命有直接聯(lián)系，所以要對極值點(diǎn)進(jìn)行挑選，挑選前后比較如圖7。橫梁的工作環(huán)境溫度變化相對復(fù)雜，車體也會有一定的溫度變化。用來測試的電子原件在感受到溫度變化后，就會出現(xiàn)一定程度的誤差。其直接體現(xiàn)就是整個載荷譜隨時間而偏離零點(diǎn)即產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。如不去除則會影響到結(jié)果精度和加大后期處理難度。根據(jù)相關(guān)研究可推測臺車架的激勵應(yīng)小于40Hz，而高于這一頻率的激勵對臺車架的破壞有限，所以采用低通濾波濾掉40Hz以上的干擾信號。處理載荷時間歷程的方法很多，但是目前應(yīng)用最廣的方法便是雨流計數(shù)法[5]。這一計數(shù)方法與材料疲勞損傷具有內(nèi)在聯(lián)系，雨流計數(shù)后的數(shù)據(jù)即可用于編制應(yīng)力譜。

7 結(jié)語

本文運(yùn)用有限元方法分析計算出了臺車架疲勞關(guān)鍵處，由此制定了一套測試方案。詳細(xì)介紹了信號采集、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容、對應(yīng)力譜的建立有指導(dǎo)作用，對臺車架的設(shè)計與改進(jìn)都有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 張秋強(qiáng)，譚豫章，董興宏.我國干熄焦技術(shù)的回顧與現(xiàn)狀分析[J].燃料與化工，2010，41（5）：4-6.

[2] 李昆.沖擊載荷下機(jī)械零部件疲勞分析方法及其應(yīng)用研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[3] 趙方偉.鐵路貨車車體載荷譜測試及疲勞強(qiáng)度評價研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2015.

[4] 高云凱，方劍光，謝明聰.框架式重卡駕駛室疲勞分析與評價[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2012，40（5）：721-728.

[5] 張曙光.高速列車轉(zhuǎn)向架載荷譜測試與建立方法的研究[J].中國科學(xué)，2008，38（11）：1806-1814.endprint