地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞可靠性預(yù)測研究

丁俊

摘要：本文運(yùn)用雨流計數(shù)法對地鐵車輛轉(zhuǎn)向構(gòu)架的疲勞可靠性進(jìn)行預(yù)測研究，首先對于所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測，以此為基礎(chǔ)展開一系列的分析研究，其次想要得到99.9%存活概率下的P-S-N曲線，需要的數(shù)據(jù)為研究材料在50%和95%存活概率的P-S-N曲線，由此推演出一條可以求得任意存活概率的相應(yīng)曲線，進(jìn)而得到目標(biāo)存活概率的相應(yīng)曲線。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;轉(zhuǎn)向架;動應(yīng)力;可靠度;疲勞壽命;雨流計數(shù)法

雨流計數(shù)法在本次預(yù)測性研究中起到十分重要的作用，在進(jìn)行必要實(shí)際數(shù)據(jù)測量之后，雨流計數(shù)法可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行最為妥當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計處理，即得到理想的二維應(yīng)力譜，為應(yīng)用Miner線性損傷理論進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)評估做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。必須要進(jìn)行測量的實(shí)際數(shù)據(jù)具體包括轉(zhuǎn)向構(gòu)架中承擔(dān)最主要的受力點(diǎn)及其在結(jié)構(gòu)中承擔(dān)的受力角色，每一個測量點(diǎn)的應(yīng)力范圍大小，而雨流計數(shù)法的所使用的數(shù)據(jù)則是所有測量的應(yīng)力點(diǎn)中應(yīng)力較大的部分，當(dāng)然已知材料的P-S-N曲線也是必要的。

考慮到可供參考的已知材料的P-S-N曲線大多只有50%和95%存活概率的數(shù)據(jù)，針對實(shí)際研究中某些關(guān)鍵性零件需要99%及以上存活概率的數(shù)據(jù)需求，我們需要先進(jìn)行一步推算，即依據(jù)已知存活概率曲線，得到任意性P-S-N曲線，這種曲線可以求得任意存活概率下的曲線模式，進(jìn)而完成對于目標(biāo)地鐵車輛構(gòu)架的疲勞可靠性研究。

1 構(gòu)架動應(yīng)力測試過程及數(shù)據(jù)處理

1.1 構(gòu)架動應(yīng)力測試

為了得到充足的實(shí)際測量數(shù)據(jù)，首先應(yīng)該利用特定的方法對目標(biāo)應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行篩選，例如低通濾波法尋找構(gòu)架上值得測量的目標(biāo)點(diǎn)，建議選用二階Butterworth濾波器，將截止頻率設(shè)定到100赫茲即可，如此我們就可以得到受力較大或者受力較為集中，及疲勞性損傷容易出現(xiàn)的受力目標(biāo)點(diǎn)，考慮到橋梁結(jié)構(gòu)的特征對稱性，目標(biāo)受力點(diǎn)的測量區(qū)域選定在一側(cè)即可，主要針對經(jīng)常出現(xiàn)疲勞性裂痕以及受力特征難以分析的區(qū)域，對于面積較小但是作用很大的承接性結(jié)構(gòu)也要重點(diǎn)分析[1]。

按照上述步驟進(jìn)行測量應(yīng)力點(diǎn)的篩選之后，目標(biāo)區(qū)域主要分為以下幾類：側(cè)梁下蓋板與橫梁、齒輪箱以及軸箱彈簧座的連接位置;側(cè)梁下蓋板本身靠近齒輪箱的彎曲部位;橫梁與電機(jī)座連接處和自身圓弧彎曲部位。

1.2 應(yīng)力的疲勞評估點(diǎn)選擇

在選定需要測量的受力點(diǎn)之后，我們需要進(jìn)行一步的篩選，找出對于疲勞性評估有參考價值的應(yīng)力點(diǎn)，篩選過程中需要注意的指標(biāo)為應(yīng)力點(diǎn)的凈應(yīng)力和動應(yīng)力。兩個指標(biāo)都很高的測量點(diǎn)以及其中任意一個指標(biāo)較高的測量點(diǎn)都應(yīng)該納入選擇范圍，當(dāng)然對于存在與相同部位的應(yīng)力點(diǎn)只選擇一個進(jìn)行疲勞評估即可。

2 疲勞壽命評估

2.1 平均應(yīng)力的修正

得到所需要的基礎(chǔ)測量數(shù)據(jù)之后，我們應(yīng)用雨流計數(shù)法對其進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理以及進(jìn)一步分析，得到受力范圍以及受力平均值兩個重要指標(biāo)，在本研究中，針對疲勞性問題的修正方法普遍建議使用Goodman曲線，這樣我們即可以得到當(dāng)受力的平均值為零是的應(yīng)力循環(huán)。修正結(jié)果如下所示。

2.2 材料的疲勞特性

我們需要確定研究材料的疲勞特性的種類，通常意義上講，對于不同材料，我們可以從大周期和小周期兩個方面來研究疲勞循環(huán)特征，這主要和材料本身性質(zhì)有關(guān)，本研究中對于軌道車輛的重要零件的疲勞特性進(jìn)行探討，這類材料的疲勞循環(huán)周期普遍較長，因此需要的研究模型則是高周期疲勞循環(huán)對應(yīng)的S-N曲線，這類模型通?？梢杂脤?shí)驗來得到，當(dāng)然測量環(huán)境條件有限時，通過對于材料必要的性能測量值對其進(jìn)行估計的方法也很常見。

本研究使用的是16Mn鋼材料的S-N曲線，同時再根據(jù)已知的材料的存活概率分別為50%和95%的Goodman曲線和P-S-N曲線求得所需要的材料能承受的最大疲勞值，從而得出所需要的在99.9%存活概率下的最大疲勞承受值。

2.3 疲勞累計損傷

在進(jìn)行疲勞損傷的計算時，我們應(yīng)該考慮一段時間內(nèi)損傷的積累量，當(dāng)我們確定了研究材料的疲勞循環(huán)之后，并不意味著所得疲勞極限值就此固定，這個極限是會根據(jù)一段時間內(nèi)實(shí)際承重大小及頻率進(jìn)行一定范圍內(nèi)的波動，這種累積性的疲勞損傷通常使用Palmgren-Miner線性疲勞累積損傷理論進(jìn)行計算和處理，一般來說，可以用下面的公式進(jìn)行一個循環(huán)周期內(nèi)所累積起來的疲勞值計算。

3結(jié)語

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是列車關(guān)鍵承載部位，在車輛走行裝置中發(fā)揮著舉足輕重的作用，須對其進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評估和可靠性設(shè)計，而構(gòu)架所承受的載荷是進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評估的基礎(chǔ)[2]。本文研究目的為通過實(shí)際測量數(shù)據(jù)推演出地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞可靠性，主體方法為雨流計數(shù)法，所需要的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)分別為疲勞累積損傷理論和充足且必要的一一對應(yīng)的構(gòu)架應(yīng)力點(diǎn)的動應(yīng)力和時間以及已知材料的P-S-N曲線，最終得到了較為可靠的確定地鐵車輛轉(zhuǎn)向構(gòu)架疲勞極限值的測定方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]王斌杰 孫守光 王曦 張立 董磊 姜朝勇.地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架運(yùn)用載荷與疲勞損傷特征研究[J].鐵道學(xué)報，2019，（6）：33.

[2]張志鵬.時速400公里動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架載荷譜的研究[D]. 北京交通大學(xué)2018，（9）：139-141.

（作者單位：蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司）