城市軌道車輛稱重與輪重減載試驗(yàn)臺(tái)研究

周鳴語，姜衍猛，張昭英，王蔚，吳興文

城市軌道車輛稱重與輪重減載試驗(yàn)臺(tái)研究

周鳴語1，姜衍猛2，張昭英2，王蔚3，吳興文*,4

（1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266000；3.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031；4.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

車輛靜態(tài)輪重和輪重減載率一直以來是鐵道車輛運(yùn)營維護(hù)關(guān)注的重點(diǎn)，直接關(guān)系著車輛動(dòng)態(tài)運(yùn)營的脫軌安全性與黏著牽引特性。因此，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)城市軌道車輛的稱重和輪重減載試驗(yàn)臺(tái)，具備車輛靜態(tài)稱重功能、輪重減載率測試功能、承載軌道功能和防傾覆功能等。為了進(jìn)一步闡釋試驗(yàn)臺(tái)的可靠性，利用有限元方法對(duì)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)焊縫靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了校核，針對(duì)典型地鐵車輛驗(yàn)證了試驗(yàn)臺(tái)稱重和輪重減載功能。結(jié)果表明，城市軌道車輛稱重和輪重減載試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)焊縫靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，能夠滿足使用要求。

城軌車輛；稱重與輪重減載試驗(yàn)臺(tái)；結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度；疲勞強(qiáng)度；焊縫

隨著城市軌道交通車輛制造與檢修技術(shù)的快速發(fā)展，生產(chǎn)檢修人員不僅需要知曉車輛的輪重、軸重和整車重量，還需要掌握車輛在惡劣狀態(tài)下運(yùn)行的輪重減載情況，這些信息都直接關(guān)系車輛運(yùn)行的安全性[1-3]。因此，無論城軌車輛制造廠或地鐵公司檢修段，都需要一臺(tái)車輛稱重與輪重減載測試設(shè)備，幫助檢修人員掌握車輛重要信息，并判斷車輛生產(chǎn)與檢修是否合格[4]。目前，普通的車輛稱重設(shè)備已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但是如何將不同尺寸的車型稱重和輪重減載測試等諸多功能結(jié)合在一個(gè)平臺(tái)上開發(fā)利用，卻是行業(yè)內(nèi)較少應(yīng)用的情況[5]。南京地鐵與青島四方車輛研究所共同開發(fā)了一種集合城軌A型、B型車輛稱重與輪重減載測試等多功能于一體的測試平臺(tái)。本文介紹了該試驗(yàn)臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)和功能，并利用有限元方法對(duì)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)焊縫靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了校核；針對(duì)典型地鐵車輛，驗(yàn)證了試驗(yàn)臺(tái)稱重和輪重減載功能。

1 車輛稱重與輪重減載測試臺(tái)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型車輛稱重與減載測試臺(tái)應(yīng)滿足城軌A型和B型車輛總裝完后或出廠前的靜態(tài)輪重、軸重和整車重量的測量，通過計(jì)算機(jī)處理后給出車輛輪重差、軸重差，確定其在靜態(tài)時(shí)的重量和重量分配。此外，新型測試臺(tái)還可以升降單邊稱重軌一定高度后對(duì)輪重測量，并進(jìn)行減載率的靜態(tài)檢測，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后給出單邊側(cè)輪重差、輪重減載率。同時(shí)，新型測試臺(tái)在不使用的狀態(tài)下，允許工程車輛通過稱重軌道的要求。

測試臺(tái)要兼容A型車和B型車，兩種車型的車輛定距不同、轉(zhuǎn)向架軸距也不同，在車輛定位上需考慮稱重單元的分配和稱重單元的數(shù)量。具體兼容方案如圖1所示，其中稱重及輪重減載率測試臺(tái)主要由5套具備升降功能稱重單元（含顯示儀表）、5套固定舉升機(jī)構(gòu)稱重單元（含顯示儀表）、1套測控系統(tǒng)（含數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)、工控機(jī)（含數(shù)據(jù)采集卡、打印機(jī)、控制臺(tái)等）等組成，A型車與B型車共用左側(cè)四個(gè)稱重單元，而在控制臺(tái)右側(cè)多出了兩組稱重單元，用來作為A型和B型車進(jìn)行車輛定距過渡單元，通過多出來的這兩組稱重單元滿足15.7 m車輛定距A型車及12.6 m車輛定距B型車的稱重測量，并考慮到空間布置和節(jié)約使用傳感器。每套稱重單元均安裝有4個(gè)稱重傳感器，傳感器安裝于稱重臺(tái)底部對(duì)角四個(gè)位置，如圖2所示。而具備升降功能的稱重單元主要有承載鋼結(jié)構(gòu)、螺桿升降系統(tǒng)、滑動(dòng)滾輪副、基本稱重單元、輔助軌及防側(cè)翻支座等，如圖3所示，其中稱重單元的防沖擊以及防傾覆采用鋼球式限位模塊，通過調(diào)整各稱重單元的縱向或橫向限位螺釘，避免側(cè)向力對(duì)稱重單元計(jì)量精度的影響，保證了機(jī)車車輛在稱重檢測過程中的行駛安全。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)電氣及控制設(shè)計(jì)

測控系統(tǒng)由工控機(jī)、顯示器、打印機(jī)、測控軟件、串口服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集板、稱重顯示儀表、稱重傳感器接線盒、稱重傳感器、限位開關(guān)、編碼器采集板、編碼器、變頻器、升降電機(jī)、電纜、UPS及蓄電池組成。各稱重單元的四個(gè)稱重傳感器接入對(duì)應(yīng)接線盒，經(jīng)稱重顯示儀表處理后通過串口服務(wù)器與工控機(jī)通信；工控機(jī)控制升降裝置對(duì)車輛進(jìn)行舉升；編碼器實(shí)時(shí)反饋升降裝置的舉升高度；限位開關(guān)作為極限位置保護(hù)。原理如圖4所示。

圖1 城軌車輛稱重與輪對(duì)減載測試臺(tái)的布置原理

圖2 單個(gè)固定機(jī)構(gòu)稱重單元

圖3 單個(gè)具備升降功能的稱重單元

圖4 測控系統(tǒng)原理圖

車輛稱重與輪重減載測試臺(tái)控制軟件是由LabVIEW編寫的應(yīng)用程序。整個(gè)程序界面清晰、操作簡便，具有數(shù)據(jù)采集、計(jì)算處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、權(quán)限管理、檢索以及打印測試結(jié)果等功能。

2 試驗(yàn)臺(tái)有限元模型

2.1 稱重臺(tái)的有限元模型建立

為進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，采用HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分、Radioss求解器進(jìn)行數(shù)值求解、HyperView進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和后處理。模型中型材和板材結(jié)構(gòu)采用二維殼單元進(jìn)行模擬；螺栓采用一維梁單元進(jìn)行模擬；車輪、鋼軌、重量傳感器及其它不適合采用殼單元進(jìn)行模擬的結(jié)構(gòu)均采用三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬，非結(jié)構(gòu)質(zhì)量采用點(diǎn)質(zhì)量單元來模擬。單元尺寸約10 mm，整個(gè)模型共包括1,557,500個(gè)節(jié)點(diǎn)、1,730,665個(gè)單元。圖6為稱重臺(tái)整體有限元模型，包括兩種功能稱重單元的有限元網(wǎng)格圖與A型通用車輛的有限元網(wǎng)格圖。

其中整車稱重及輪重減載率測試系統(tǒng)的主鋼結(jié)構(gòu)選用低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345，詳細(xì)材料屬性如表1所示。對(duì)非主鋼結(jié)構(gòu)件僅考慮其剛度以及重量的影響，對(duì)其強(qiáng)度不進(jìn)行評(píng)估。

2.2 分析工況制定

整車稱重及輪重減載率試驗(yàn)臺(tái)主要存在靜態(tài)稱重狀態(tài)、單輪舉升狀態(tài)和單側(cè)舉升狀態(tài)等三種工作狀態(tài)。靜態(tài)稱重狀態(tài)：車輛到位后，通過8個(gè)稱重單元，對(duì)車輛進(jìn)行8點(diǎn)稱重，計(jì)算出車輛輪重差、軸重差，確定其在靜態(tài)時(shí)的重量和重量分配；單輪舉升狀態(tài)：車輛到位后，帶舉升裝置的稱重單元將轉(zhuǎn)向架單個(gè)輪子或者某幾個(gè)輪子舉升一定高度后，通過測控系統(tǒng)得到輪重差、軸重差及輪重減載率；單側(cè)舉升狀態(tài)：車輛到位后，帶舉升裝置的稱重單元將車輛單側(cè)所有輪子舉升一定高度后，通過測控系統(tǒng)得到輪重差、軸重差及輪重減載率。車輛稱重和輪重減載率測試受力狀態(tài)如圖7、圖8所示。稱重單元通過螺栓連接固定在安裝基座上，有限元分析中約束稱重臺(tái)底部安裝點(diǎn)的全部自由度，同時(shí)約束與基座接觸面的垂向自由度，如圖9所示。制定出的稱重臺(tái)分析工況，如表2所示，F(xiàn)00工況為靜態(tài)稱重狀態(tài)，此時(shí)各輪抬升高度0 mm，進(jìn)行靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度分析；F11工況為單輪稱重狀態(tài)，此時(shí)將轉(zhuǎn)向架單個(gè)輪子或者某幾個(gè)輪子舉升150 mm，進(jìn)行靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、輪重減載率分析；F21工況為單側(cè)稱重狀態(tài)，此時(shí)車輛單側(cè)所有輪子舉升150 mm，進(jìn)行靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、輪重減載率分析。

圖6 稱重臺(tái)的有限元模型

圖7 靜態(tài)稱重受力及參數(shù)示意圖

圖8 減載率試驗(yàn)受力及參數(shù)示意圖

3 試驗(yàn)臺(tái)焊縫靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法

3.1 焊縫靜強(qiáng)度

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)臺(tái)母材區(qū)域最大等效應(yīng)力在各種工況下應(yīng)該小于材料屈服強(qiáng)度。而試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)中焊縫主要涉及3種類型，焊縫的各個(gè)應(yīng)力分量由相鄰母材單元的應(yīng)力計(jì)算得出，焊縫應(yīng)力分量示意如圖10所示，具體計(jì)算方法如表3所示。其中：σ⊥、σ||、τ⊥與σ||分別為焊縫的垂向正應(yīng)力、平行正應(yīng)力、垂向切應(yīng)力與平行切應(yīng)力，MPa；⊥、||和⊥分別為焊縫相連單元的垂直焊縫正應(yīng)力、平行焊縫正應(yīng)力和垂直焊縫切應(yīng)力，MPa；為板厚，mm；為焊縫的高度，mm。

表1 稱重臺(tái)主體結(jié)構(gòu)的材料屬性

注：為板材的厚度，mm。

圖9 稱重臺(tái)邊界條件示意圖

表2 分析工況表

圖10 典型焊縫及焊縫應(yīng)力計(jì)算類型示意圖

表3 焊縫應(yīng)力分量計(jì)算

焊縫等效應(yīng)力由焊縫應(yīng)力分量σ⊥、σ||以及τ⊥計(jì)算得出，上述各應(yīng)力由鄰近焊縫殼單元應(yīng)力⊥、||及⊥確定。

焊縫等效應(yīng)力計(jì)算式為：

焊縫靜強(qiáng)度安全系數(shù)計(jì)算式為：

3.2 焊縫疲勞強(qiáng)度

焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響因素很多，比如焊接方式、方法和焊縫長度等[4]。該稱重臺(tái)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)循環(huán)載荷按1.0E5次進(jìn)行考核。并且假設(shè)所有焊縫均滿足EN 15085的相關(guān)要求，焊縫等級(jí)為CP C2。本文采用DVS 1612進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的考核，由于該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的疲勞壽命為2.0E6次，計(jì)算時(shí)將相應(yīng)的疲勞極限強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成1.0E5所對(duì)應(yīng)的疲勞極限。焊縫疲勞強(qiáng)度利用系數(shù)由下式進(jìn)行計(jì)算：

垂直于焊縫的材料利用系數(shù)為：

平行于焊縫的材料利用系數(shù)為：

剪切焊縫的材料利用系數(shù)為：

式中：⊥、||zul和⊥為焊縫的垂向疲勞強(qiáng)度、平行疲勞強(qiáng)度和剪切疲勞強(qiáng)度，MPa。

故，焊縫等效的材料利用系數(shù)UF為：

則，焊縫的最大利用系數(shù)可表示為：

根據(jù)DVS1612，焊縫疲勞強(qiáng)度利用系數(shù)應(yīng)該滿足max≤1.0。

對(duì)于⊥、||zul和⊥由DVS 1612獲得。該值與焊縫類型、焊接等級(jí)、受力方向、應(yīng)力比、屈服強(qiáng)度、板厚等眾多因素相關(guān)，MKJ曲線如圖11給出。

圖11 DVS1612中規(guī)定的焊縫MKJ曲線

4 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)果分析

4.1 母材靜強(qiáng)度校核結(jié)果及評(píng)價(jià)

計(jì)算結(jié)果表明稱重臺(tái)的最大應(yīng)力，出現(xiàn)在F11工況下，為233.6 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度（16 mm≤板厚≤35 mm）325 MPa，其最小安全系數(shù)為1.4，滿足設(shè)計(jì)要求。該工況下的應(yīng)力云圖，如圖12所示。最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋼軌外側(cè)防脫軌安全裝置上，主要是由于F11工況為單輪抬升工況，車輪一側(cè)抬升后會(huì)在橫向產(chǎn)生橫向分力，導(dǎo)致防脫軌安全裝置承載。

圖12 稱重臺(tái)的Mises應(yīng)力云圖（F11工況）

4.2 焊縫靜強(qiáng)度校核結(jié)果及評(píng)價(jià)

車輛稱重臺(tái)是焊接結(jié)構(gòu)，因此有必要對(duì)焊縫進(jìn)行強(qiáng)度校核。根據(jù)3.1節(jié)給出的焊縫靜強(qiáng)度評(píng)估準(zhǔn)則，對(duì)整車稱重及輪重減載率測試系統(tǒng)各靜態(tài)工況進(jìn)行校核。計(jì)算結(jié)果表明，焊縫最大應(yīng)力出現(xiàn)在F11工況（單輪抬升稱重工況）。材料的屈服強(qiáng)度取較小值（16 mm≤板厚≤35 mm）325 MPa，其最小安全系數(shù)為2.03，滿足靜強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。該工況下的焊縫靜強(qiáng)度安全系數(shù)云圖，如圖13所示。

圖13 稱重臺(tái)的焊縫安全系數(shù)云圖（F11工況）

4.3 焊縫疲勞強(qiáng)度校核結(jié)果及評(píng)價(jià)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，稱重試驗(yàn)臺(tái)需要在使用壽命期間完成1.0E5次稱重，因此需要對(duì)關(guān)鍵焊縫進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。利用3.2節(jié)給出的方法，對(duì)各個(gè)工況焊縫疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。計(jì)算結(jié)果表明，焊縫疲勞強(qiáng)度利用率最高的工況出現(xiàn)在F11工況（單輪抬升稱重），最大材料利用率為0.91，滿足焊縫疲勞強(qiáng)度的要求。稱重臺(tái)焊縫在該工況下的疲勞強(qiáng)度材料利用率分布云圖如圖14所示。

圖14 稱重臺(tái)的焊縫材料利用率分布云圖（F11工況）

4.4 輪重減載率校核結(jié)果及評(píng)價(jià)

車輛輪對(duì)在經(jīng)過鏇修工藝后，輪對(duì)輪徑會(huì)存在偏差，需要通過試驗(yàn)臺(tái)測試初始輪重減載，從而控制車輛4條輪對(duì)的輪徑差。本章節(jié)利用試驗(yàn)臺(tái)有限元模型，驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)輪重減載率測試方案的可行性。首先分析各個(gè)工況下車輪和鋼軌接觸力，根據(jù)GB 5599－1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[6]，計(jì)算各個(gè)工況輪重減載率。表4中列出了各工況下的最大輪重減載率。結(jié)果表明，F(xiàn)11工況單輪抬升150 mm后，轉(zhuǎn)向架兩個(gè)輪對(duì)的輪重減載率明顯增大，而對(duì)另外一端轉(zhuǎn)向架輪重減載率影響不大。F21工況中車輛單側(cè)車輪抬升，車輛4條輪對(duì)輪重減載率相差較小，且減載率小于F11工況單輪抬升的情況。由此說明，本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)可以有效模擬車輛輪重減載的情況；對(duì)由于車輪鏇修導(dǎo)致車輛4條輪對(duì)輪徑不一樣的情況，可以測試由此帶來的車輛輪重減載情況，對(duì)車輛運(yùn)營維護(hù)安全性具有重要意義。

表4 各工況下的最大輪重減載率

5 小結(jié)

本文介紹了新型車輛稱重與輪重減載測試臺(tái)的技術(shù)特點(diǎn)。在結(jié)合功能介紹與整體布置的基礎(chǔ)上，闡述了測試臺(tái)的設(shè)計(jì)組成。并且利用有限元分析軟件，對(duì)整個(gè)車體在不同工況下的舉升過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了全面的分析，同時(shí)也對(duì)測試臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。分析結(jié)果表明：整車稱重及輪重減載率測試系統(tǒng)在所分析工況條件下，其結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、焊縫靜強(qiáng)度和焊縫疲勞強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)臺(tái)具備稱重和輪重減載率測試的功能。

[1]魏曉斌，雷新紅. 城軌車輛輪重減載率動(dòng)態(tài)測試方法的研究[J]. 機(jī)車車輛工藝，2015（6）：1-3.

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[6]GB 5599－1985，鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范[S].

Research on Test-Bench for Weighing and Wheel Load Reduction of Urban Rail Vehicles

ZHOU Mingyu1，JIANG Yanmeng2，ZHANG Zhaoying2，WANG Wei3，WU Xingwen4

( 1.Nanjing Metro Construction Co., Ltd., Nanjing 210000, China;2.CRRC Qingdao Sifang Vehicle Research Institute Co., Ltd., Qingdao 266000, China;3.School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China4.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu610031, China )

Vehicle static wheel weight and wheel load reduction rate, which are directly related to the derailment prevention and the adhesion traction of vehicle dynamic operation, have always been the focus of railway vehicle operation and maintenance. Therefore, this paper designs a test-bench for the weighing and wheel load reduction of urban rail vehicles with the function of static weighing, wheel load reduction rate testing, track-bearing and anti-overturning. In order to further explain the reliability of the test-bench, the static strength and fatigue strength of the welds the test-bench were checked by finite element method, and the reliability of the weighing and wheel load reduction function of the test-bench were verified on typical Metro vehicles. The results show that the static strength and fatigue strength of the weld seam of the test-bench for weighing and wheel load reduction of urban rail vehicles can meet the requirements of operation.

urban rail vehicles；test bench for weighing and wheel load reduction；static structural strength；fatigue strength；weld seam

U231+.94

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.02.006

1006－0316 (2020) 02－0031－08

2019－05－16

四川省苗子工程（2018RZ0105）

周鳴語（1982－），江蘇南京人，本科，高級(jí)工程師，主要從事地鐵車輛運(yùn)營維護(hù)工作。

吳興文（1988－），四川成都人，博士，副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及振動(dòng)疲勞。