地鐵車輛輪對(duì)安全吊的振動(dòng)疲勞特性探討

章明耀

摘要：本文主要圍繞地鐵車輛輪對(duì)安全吊的振動(dòng)疲勞特性展開研究，通過模態(tài)分析和模態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)，探究影響安全吊正常運(yùn)行幅值的因素，結(jié)合有限元計(jì)算等進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證分析，探究延長(zhǎng)安全吊使用壽命的具體措施。

關(guān)鍵詞：安全吊;振動(dòng)疲勞;模態(tài)分析;疲勞壽命

1.模態(tài)分析

模態(tài)分析可以幫助實(shí)驗(yàn)人員從多角度開展模態(tài)仿真計(jì)算和模態(tài)試驗(yàn)，繼而獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)選擇了固定形式的安全吊開展工作，在軸箱上方緊固螺栓后，當(dāng)車輛起吊時(shí)，安全吊會(huì)與構(gòu)架鐵合在一起，實(shí)現(xiàn)輪對(duì)和架構(gòu)的正常連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪對(duì)的起吊。此時(shí)，安全吊相當(dāng)于一個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)，受到振動(dòng)等當(dāng)面的影響，安全吊在應(yīng)用過程中可能會(huì)出現(xiàn)開裂問題，這也是在車輛起吊過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的問題之一。下圖為模態(tài)仿真和實(shí)驗(yàn)過程中得到的不同數(shù)據(jù)。

2.線路實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了獲得正常工作狀態(tài)下的安全吊應(yīng)力水平和振動(dòng)情況等數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)人員選擇對(duì)車輛進(jìn)行線路實(shí)驗(yàn)，結(jié)合其不同階段的運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)量安全吊的橫向加速度和軸箱體動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)等數(shù)據(jù)。

2.2數(shù)據(jù)分析

通過不同階段的車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，軸向的垂向振動(dòng)和橫向振動(dòng)都比較穩(wěn)定，波動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)。而安全吊則會(huì)隨著車輛運(yùn)行出現(xiàn)波動(dòng)較大的振動(dòng)，到最后振動(dòng)幅值會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到高峰。通過比較車輛途經(jīng)的路段可以判斷，在振動(dòng)幅值較大的路段可能會(huì)存在鋼軌波磨等問題，該類問題的存在會(huì)導(dǎo)致安全吊的部分區(qū)域產(chǎn)生共振，通過傅里葉變換對(duì)波磨的站間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，存在不隨速度變化而變化的固定能量帶，結(jié)合其影響因素可以判斷這與一階彎曲模態(tài)被激發(fā)有關(guān)，而該狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致安全吊脫離原有的振動(dòng)頻率，出現(xiàn)較大的振動(dòng)，影響車輛運(yùn)行穩(wěn)定性。通過將軸箱到安全吊的振動(dòng)時(shí)域進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，安全吊的垂向加速度幅值一直穩(wěn)定在與軸箱相對(duì)合理的范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)明顯變化。而將橫向振動(dòng)幅值對(duì)比時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，安全吊的振動(dòng)幅值是軸箱的三到三點(diǎn)五倍，該時(shí)域的一階橫向彎曲模態(tài)被激發(fā)引起了安全吊橫向加速度的放大性變化，其主頻也發(fā)生了不同程度的變化。

2.3疲勞壽命對(duì)比分析

ISO將疲勞定義為受到應(yīng)力及應(yīng)變反復(fù)作用的材料發(fā)生不同程度的性能變化，主要體現(xiàn)在開裂和破壞等方面。而破壞產(chǎn)生的機(jī)理是金屬材料在循環(huán)形變過程中會(huì)出現(xiàn)不可逆的疲勞裂紋并擴(kuò)展，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)形成永久性的損傷。在實(shí)際工程中，相關(guān)人員會(huì)結(jié)合連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法來(lái)對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變和環(huán)境因素等對(duì)疲勞壽命造成的影響進(jìn)行分析。疲勞壽命是疲勞裂紋循環(huán)數(shù)和裂紋的亞臨界被擴(kuò)展到最后尺寸的循環(huán)數(shù)總和。根據(jù)其定義，可以通過損傷容限法和總壽命法兩種方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合具體情況選擇應(yīng)當(dāng)使用的方法。

在實(shí)驗(yàn)開展過程中，實(shí)驗(yàn)人員可以結(jié)合實(shí)際測(cè)得的線路動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)總壽命對(duì)安全吊結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估，繼而得到在現(xiàn)有線路條件下，不同測(cè)點(diǎn)位置的安全吊的服役壽命。實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)得到大量原始數(shù)據(jù)，但是該類數(shù)據(jù)會(huì)受到干擾噪聲的影響，不利于后續(xù)計(jì)算等工作合理開展。為此，實(shí)驗(yàn)人員需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行零漂修正和共模噪聲濾波等處理，逐層對(duì)噪聲進(jìn)行過濾，繼而得到相對(duì)清晰準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通常實(shí)驗(yàn)開展過程中，主要是利用材料的常幅應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)數(shù)據(jù)來(lái)開展其疲勞壽命計(jì)算工作。實(shí)驗(yàn)人員使用載荷譜來(lái)獲得離散分級(jí)的常幅應(yīng)力應(yīng)變譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)隨機(jī)應(yīng)力應(yīng)變時(shí)間歷程的合理轉(zhuǎn)換，可以推動(dòng)后續(xù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算工作合理開展。而這種轉(zhuǎn)換方法是在傳統(tǒng)雨流計(jì)數(shù)法的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因而在后續(xù)討論過程中也主要應(yīng)用該方法來(lái)對(duì)測(cè)得的動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)計(jì)算。結(jié)合結(jié)構(gòu)疲勞定義可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)疲勞實(shí)際上是材料所受的損傷逐漸積累的過程。一般在鐵路行業(yè)中，車輛的使用時(shí)間和使用里程是壽命的主要表征，在使用頻次的幫助下對(duì)這兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以測(cè)得安全吊損傷量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)和實(shí)際工作過程中，相關(guān)單位會(huì)在《FKM Analytical Strength Assessment 5th_Edition》這一壽命評(píng)估參考標(biāo)準(zhǔn)的幫助下開展后續(xù)工作。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全吊材料牌號(hào)和對(duì)應(yīng)牌號(hào)的抗拉強(qiáng)度參數(shù)以及屈服強(qiáng)度參數(shù)等進(jìn)行了明確的規(guī)定，工作人員可以結(jié)合安全吊使用環(huán)境對(duì)其安全系數(shù)進(jìn)行確定，一般為1.35。實(shí)驗(yàn)人員對(duì)地鐵往返測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估之后，在有限元計(jì)算的幫助下，可以得到不同應(yīng)力位置的變化數(shù)據(jù)，其使用評(píng)估壽命結(jié)果如下。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過對(duì)某地鐵安全吊輪進(jìn)行模態(tài)仿真和模態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，經(jīng)過有限元計(jì)算驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，安全吊的一階橫向彎曲模態(tài)為345Hz，二階固有頻率是991Hz。而將軸箱和安全吊的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，車站之間可能存在軌道波磨問題，影響安全吊的使用壽命。而經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)，安全吊在受到軌道波磨段的影響后發(fā)生共振，導(dǎo)致其原有的振動(dòng)幅值發(fā)生變化，繼而會(huì)出現(xiàn)不同程度的破壞，這是其破壞的主要原因。在共振作用的影響下，安全吊的橫向振動(dòng)幅度明顯擴(kuò)大，導(dǎo)致其動(dòng)應(yīng)力發(fā)生明顯變化，這直接導(dǎo)致安全吊出現(xiàn)損傷破壞問題。通過對(duì)軌道波磨路段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，安全吊在不受波磨損耗影響的情況下，其疲勞壽命大大延長(zhǎng)，因而相關(guān)單位應(yīng)當(dāng)安排專業(yè)人員對(duì)軌道波磨路段進(jìn)行打磨，同時(shí)申請(qǐng)?jiān)趬勖芾碇屑尤氚踩鯄勖芾眄?xiàng)目，可以有效延長(zhǎng)安全吊的使用壽命。

4.小結(jié)

地鐵車輛輪對(duì)安全吊的振動(dòng)疲勞一直存在，而軌道波磨路段引起的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致安全吊振動(dòng)狀態(tài)發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致安全吊的使用壽命縮短。地鐵工作人員和維修人員等必須加強(qiáng)對(duì)安全吊管理工作的重視，及時(shí)處理軌道波磨等問題，延長(zhǎng)安全吊的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴建新1，呂松江1.209P轉(zhuǎn)向架安全吊斷裂原因分析與改進(jìn)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018，000（006）：P.118-120.

[2]林勤，李國(guó)棟，付媛媛， 等.地鐵車輛一系懸掛安全吊緊固螺栓故障分析及優(yōu)化[J].鐵道車輛，2019，57（7）：42-44.