城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架振動(dòng)疲勞失效影響因素分析

董磊，王懷東，陳卓，殷煒棋，張莉

(中車長春軌道客車股份有限公司 技術(shù)中心, 吉林 長春 130062)*

0 引言

隨著城市軌道交通快速發(fā)展，運(yùn)量不斷加大、開行里程不斷增加，開行頻次不斷提高，車輛運(yùn)用環(huán)境變得更加復(fù)雜、惡劣，對城軌車輛關(guān)鍵部件運(yùn)用安全提出了更高的要求.構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架重要部件之一，承受和傳遞來自車體和輪軌的載荷并為各種懸掛提供支撐，確保其疲勞可靠性對保證列車運(yùn)用安全具有十分重要的意義.

列車運(yùn)行過程中，各種外部激擾惡劣化導(dǎo)致列車系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，表現(xiàn)為列車-軌道系統(tǒng)輪軌相互作用加劇、構(gòu)架激振失穩(wěn)等，致使車輛結(jié)構(gòu)載荷加大、構(gòu)架發(fā)生彈性振動(dòng)等.而載荷增大、發(fā)生彈性振動(dòng)等均會(huì)顯著降低轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞壽命，影響列車運(yùn)行安全性.

某型城市軌道車輛在投入運(yùn)營前，對其轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了線路動(dòng)應(yīng)力測試和可靠性評估，結(jié)果表明該型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架滿足360萬(30年)公里可靠運(yùn)用要求.但是在運(yùn)用4年后，該型動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫側(cè)梁連接部、電機(jī)吊座以及齒輪箱吊座等發(fā)生多處裂紋.因此，對同一轉(zhuǎn)向架構(gòu)架再次進(jìn)行了線路動(dòng)應(yīng)力測試和可靠性評估，結(jié)果表明該型構(gòu)架幾乎所有測試部位的動(dòng)應(yīng)力有非常明顯地增大，嚴(yán)重影響了該型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架運(yùn)用安全性.是什么因素導(dǎo)致該型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在運(yùn)用4年后不滿足疲勞可靠性要求？

事實(shí)上，引起軌道車輛產(chǎn)生振動(dòng)的外界激擾源主要有車輪缺陷、軌道特殊區(qū)段激擾、軌道隨機(jī)不平順等類型.①車輪缺陷激擾.車輪運(yùn)用過程中出現(xiàn)的缺陷如車輪扁疤、徑跳、擦傷以及異常磨耗等，將增大輪軌沖擊作用，不僅影響列車運(yùn)行安全和軌道運(yùn)用安全，還會(huì)加劇車輛結(jié)構(gòu)的疲勞損傷.②軌道特殊區(qū)段激擾.車輛通過某些特殊軌道區(qū)段如軌縫、道岔、軌道曲線變坡點(diǎn)時(shí)，將激起輪軌系統(tǒng)幅值更大、頻率更高的沖擊振動(dòng)以及車輛系統(tǒng)關(guān)鍵部件損傷.③軌道不平順激擾.亦是引起車輛系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)的主要因素，其中軌道高低不平順和方向不平順，是引起輪軌激烈振動(dòng)和影響運(yùn)行安全性的主要原因，同時(shí)也是引起構(gòu)架早期疲勞失效的主要因素之一.

輪軌激擾引起車輛系統(tǒng)振動(dòng)及相關(guān)頻率特性已引起廣泛關(guān)注[1]，翟婉明[2]對鐵路輪軌隨機(jī)振動(dòng)進(jìn)行了理論解析，是國內(nèi)較早涉及輪軌振動(dòng)頻率的文獻(xiàn)之一.姚起杭[3-4]對工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞闡明了概念和定義，指出外界激擾的頻率與結(jié)構(gòu)的某一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)一定的激擾將會(huì)產(chǎn)生更大的響應(yīng)，以致更加易于產(chǎn)生破壞.文獻(xiàn)[5-10] 論述了結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞對結(jié)構(gòu)壽命的影響，方吉[11]和薛海[12]對鐵道車輛的結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞進(jìn)行了分析研究.上述研究工作基于理論研究，尚未結(jié)合線路試驗(yàn)開展相關(guān)研究和驗(yàn)證.

為此，本文在多次測試、計(jì)算和分析的基礎(chǔ)上，擬確定引起該型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞損傷的主要因素.該項(xiàng)工作對現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)用和維護(hù)具有良好的指導(dǎo)意義.

1 構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力測試結(jié)果

圖1為測試轉(zhuǎn)向架構(gòu)架位置示意圖，安裝于該型城軌車輛5車2位端.如前所述，運(yùn)用四年后的線路測試結(jié)果表明，該構(gòu)架多個(gè)部位的動(dòng)應(yīng)力都較投入運(yùn)營初期時(shí)有了非常明顯地增長，特別是電機(jī)吊座與橫梁連接部，按設(shè)計(jì)壽命所計(jì)算的等效應(yīng)力增長幅度達(dá)到了70%，導(dǎo)致構(gòu)架不能滿足安全運(yùn)用及全壽命要求.本次試驗(yàn)過程中，為判斷構(gòu)架是否發(fā)生了彈性振動(dòng)，在運(yùn)營狀態(tài)下除測試構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力之外，還測試了電機(jī)吊座兩側(cè)、構(gòu)架側(cè)梁端部和軸箱垂向加速度.

圖1 構(gòu)架測試部位

圖2給出了電機(jī)吊座外立板與橫梁連接部全程動(dòng)應(yīng)力波形.由此可見，該測點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力總體上表現(xiàn)為幅值大和波動(dòng)頻繁等特點(diǎn).

圖2 電機(jī)吊座與橫梁連接處全程應(yīng)力波形

為進(jìn)一步分析其頻率成分，在對其動(dòng)應(yīng)力-時(shí)間歷程實(shí)施傅立葉變換后，得到的頻譜分布如圖3所示.由圖可見，構(gòu)架所受激擾頻寬較寬、頻率成分復(fù)雜，42和51Hz是其非常明顯的振動(dòng)主頻，振動(dòng)能量在這兩個(gè)頻率有聚集，疑似有明顯的彈性共振現(xiàn)象發(fā)生.

圖3 電機(jī)吊座外立板與橫梁連接處全程應(yīng)力頻譜

2 構(gòu)架彈性共振確認(rèn)

根據(jù)應(yīng)力信號所表現(xiàn)出的特征，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)對共振疲勞的闡述，推測車輛運(yùn)行中由于外部激擾構(gòu)架發(fā)生了彈性振動(dòng).為進(jìn)一步確認(rèn)這一現(xiàn)象，這里在建立構(gòu)架有限元模型基礎(chǔ)上，得到了構(gòu)架前六階彈性模態(tài)，列于表1.由此可見，這里的第二、三階彈性模態(tài)與圖3所示的振動(dòng)頻率為42和51 Hz吻合.下面結(jié)合構(gòu)架固有模態(tài)和線路測試信號來確認(rèn)其是否發(fā)生了彈性振動(dòng).

表1 構(gòu)架前6階固有模態(tài)

2.1 42 Hz振型確認(rèn)

由表1可知，理論計(jì)算得到構(gòu)架第二階彈性振動(dòng)頻率42 Hz，對應(yīng)的構(gòu)架變形特點(diǎn)為：兩橫梁同向彎曲、側(cè)梁端部斜對稱變形.

實(shí)際線路測試動(dòng)應(yīng)力和加速度信號在42 Hz帶通處理后表明(圖4)，一、二位橫梁對應(yīng)部位應(yīng)變片信號方向相同，構(gòu)架斜對稱軸頭加速度同向.該信號特征與模態(tài)計(jì)算結(jié)果完全一致，表明該型構(gòu)架發(fā)生了42 Hz彈性共振.

(a) 橫梁上下表面應(yīng)力反向

(b) 構(gòu)架端部斜對稱位置加速度反向

2.2 51 Hz振型確認(rèn)

計(jì)算得到構(gòu)架第三階模態(tài)頻率為51 Hz，對應(yīng)的構(gòu)架變形特點(diǎn)為：兩橫梁反向彎曲、一位和二位電機(jī)反向點(diǎn)頭.實(shí)際線路測試對應(yīng)的傳感器時(shí)域信號51 Hz帶通濾波后的特征(圖5)為：一位和二位橫梁對應(yīng)部位應(yīng)變片信號方向相反，橫梁上下表面應(yīng)變片信號反向.傳感器信號與模態(tài)計(jì)算結(jié)果完全一致，由此確認(rèn)該型構(gòu)架還發(fā)生了51 Hz彈性共振.

由此可見，外部激擾頻率與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架第二和第三階固有頻率接近或一致，引起該型構(gòu)架發(fā)生了一定程度的彈性共振.發(fā)生彈性共振后,極易導(dǎo)致構(gòu)架產(chǎn)生早期疲勞破壞[3].

(a) 橫梁上下表面應(yīng)力反向

(b) 一、二位橫梁相同位置應(yīng)力反向

3 典型輪軌激擾影響分析

3.1 輪對缺陷

依據(jù)構(gòu)架應(yīng)力特征，推測引起彈性振動(dòng)激擾與車輪踏面缺陷相關(guān).為進(jìn)一步確認(rèn)，線路試驗(yàn)過程中，測試了轉(zhuǎn)向架輪對軸箱加速度.

圖6給出了斜對稱位置第6號和第7號軸箱垂向加速度時(shí)間歷程.第7號軸箱加速度表明輪軌間存在間歇性沖擊，依據(jù)車輛運(yùn)行速度可以確認(rèn)該間歇性沖擊來自軌縫沖擊；第6號軸箱加速度除有軌縫沖擊外，在兩軌縫沖擊之間還附加其他周期性沖擊，由此推測第6號軸箱對應(yīng)的車輪存在徑跳、扁疤或擦傷等缺陷.

圖6 不同輪位軸箱加速度對比(2 s)

經(jīng)車輛入庫后測試，6號軸箱對應(yīng)的車輪存在較大徑跳.對該輪對鏇輪后，又進(jìn)行了一次相同內(nèi)容的測試. 圖7給出了鏇輪前后第6號軸箱某一線路區(qū)段兩次測試的加速度均方根值.由此可見，鏇輪后該軸箱加速度均方根值下降非常明顯.圖8給出了鏇輪后第6號軸箱加速度局部時(shí)域圖.由此可見，再次線路試驗(yàn)獲得的該軸箱加速度信號中已沒有徑跳帶來的沖擊，只剩下軌縫沖擊.

圖8 鏇輪后第6號軸箱加速度局部放大

上述研究結(jié)果表明，鏇輪前車輪存在明顯缺陷，引起轉(zhuǎn)向架構(gòu)架振動(dòng).鏇輪后車輪缺陷帶來的沖擊消失，有效地降低了輪軌激擾和構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力.

3.2 軌縫沖擊影響

事實(shí)上，引起構(gòu)架42 Hz和51 Hz彈性振動(dòng)的激擾，還有來自于軌縫的沖擊.軌縫沖擊時(shí)刻，動(dòng)應(yīng)力水平明顯大于其他時(shí)刻(圖8).圖9給出了軌縫沖擊引起的測點(diǎn)頻譜圖，頻譜成分以42 Hz和51 Hz為主.因此，即使輪對徑跳消除，軌縫沖擊依然是導(dǎo)致構(gòu)架發(fā)生彈性振動(dòng)的主要原因之一，并引起構(gòu)架疲勞損傷.

圖9 軌縫沖擊時(shí)刻應(yīng)力頻譜

3.3 軌道不平順影響

軸箱垂向加速度時(shí)域信號顯示，部分站間存在較為嚴(yán)重的線路不平順(圖10)，導(dǎo)致車輛運(yùn)行至此區(qū)段時(shí)輪軌產(chǎn)生了較大沖擊.這些沖擊引起的構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力主振頻率仍然是42 Hz和51 Hz，如圖11所示說明較差線路不平順也是導(dǎo)致構(gòu)架發(fā)生彈性振動(dòng)的主要原因之一.

圖10 線路不平順時(shí)軸箱加速度

圖11 線路不平順時(shí)動(dòng)應(yīng)力FFT

4 結(jié)論

本文在理論計(jì)算和多次試驗(yàn)測試基礎(chǔ)上，研究并確認(rèn)了某型城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架早期疲勞失效因素，結(jié)果表明：

(1)外界激擾頻率和構(gòu)架低階固有模態(tài)接近和一致后，引起構(gòu)架發(fā)生彈性振動(dòng)，該彈性振動(dòng)是構(gòu)架早期失效的根源；

(2)車輪缺陷引起構(gòu)架周期性振動(dòng)，鏇輪后可以消除該型缺陷并有效降低輪軌激擾和構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力幅值.

(3)車輪缺陷、軌縫沖擊和線路不平順三種外部激擾為構(gòu)架發(fā)生彈性振動(dòng)的主要因素，為保證構(gòu)架安全運(yùn)用，應(yīng)當(dāng)及時(shí)鏇修車輪、改善鋼軌接頭并對線路狀態(tài)較差區(qū)段進(jìn)行改造，以提高車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞壽命和乘坐舒適性.