高速列車車下設(shè)備艙底板的可靠性研究

王宏

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高和綜合國(guó)力的提升，動(dòng)車事業(yè)得到了迅猛發(fā)展，推動(dòng)了我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展，拉動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)，縮小貧富差距。目前，我國(guó)高速列車營(yíng)運(yùn)速度為330千米每小時(shí)，最高時(shí)速可達(dá)380千米，運(yùn)營(yíng)速度位居世界前列。高速列車引進(jìn)中國(guó)后，在車下設(shè)備艙底板可靠性研究領(lǐng)域還不成熟，大多數(shù)設(shè)計(jì)師則憑借自身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)高速列車車下設(shè)備艙進(jìn)行研究和探索，由于高速列車車下設(shè)備艙底板的零部件沒(méi)有可靠的評(píng)估方式，只能對(duì)其進(jìn)行壽命試驗(yàn)。基于此，本文對(duì)高速列車車下設(shè)備艙底板的可靠性進(jìn)行深入的研究并分析了我國(guó)高速列車的現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：高速列車;設(shè)備艙底板;可靠性;疲勞試驗(yàn);數(shù)據(jù)處理;現(xiàn)狀

0 ?引言

高速列車車下設(shè)備艙底板會(huì)受到地面氣動(dòng)效應(yīng)的影響，且該影響具有非周期性的特點(diǎn)。地面氣動(dòng)效應(yīng)即翼面效應(yīng)，是指當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度較快的物體與地面之間形成的空氣動(dòng)力干擾，常發(fā)生飛機(jī)、汽艇、動(dòng)車和汽車運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，會(huì)對(duì)其安全性造成負(fù)面影響。因此應(yīng)該采用相應(yīng)的技術(shù)對(duì)高速列車車下設(shè)備艙底板進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，提高其安全性與可靠性。目前我國(guó)關(guān)于高速列車地面氣動(dòng)研究雖然取得了一定的成就，但仍處于發(fā)展階段，數(shù)據(jù)處理技術(shù)和疲勞試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用還不成熟，跟西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定的差距[1]。本文對(duì)我國(guó)高速列車的現(xiàn)狀、設(shè)備艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、疲勞試驗(yàn)及其影響因素和數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行了深入的分析和研究，基于我國(guó)現(xiàn)狀，我國(guó)鐵路事業(yè)發(fā)展要以創(chuàng)新為主，在外來(lái)技術(shù)引入消化吸收的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)再創(chuàng)造，最終在動(dòng)車事業(yè)中實(shí)現(xiàn)中國(guó)創(chuàng)造與中國(guó)制造。

1 ?我國(guó)高速列車發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，我國(guó)動(dòng)車事業(yè)飛速發(fā)展，僅僅用了幾年的時(shí)間走完了幾十年的道路。2007年，CRH高速列車在引進(jìn)日本技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了符合中國(guó)的技術(shù)創(chuàng)造，邁出了我國(guó)自主研發(fā)的第一步，標(biāo)志著中國(guó)高速列車進(jìn)入全新時(shí)代[2]。我國(guó)鐵道部堅(jiān)定不移的堅(jiān)持走引進(jìn)消化再創(chuàng)新的自主創(chuàng)新道路，不斷提高動(dòng)車自主創(chuàng)造能力和制造能力。我國(guó)鐵路事業(yè)雖然在短短幾年內(nèi)取得了飛速進(jìn)展，但是跟發(fā)達(dá)國(guó)家動(dòng)車組創(chuàng)造技術(shù)仍然存在很大的距離。

2 ?高速列車設(shè)備艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

設(shè)備艙具有保護(hù)車下設(shè)備的重要作用，符合空氣動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)，提高了列車運(yùn)行性能和效率，因此設(shè)備艙底板的疲勞試驗(yàn)是至關(guān)重要的。目前我國(guó)高速列車車下設(shè)備艙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包括端板、裙板、骨和底板等。車下設(shè)備艙底板是重要的結(jié)構(gòu)組成部分，其主要材料為不銹鋼，形狀為波紋狀，兩側(cè)結(jié)構(gòu)較為特殊，翻邊設(shè)計(jì)的主要目的是提高車下設(shè)備艙的強(qiáng)度，設(shè)備艙連接結(jié)構(gòu)主要有底板與底架相連，端板與端骨架相連，縱向骨架與裙板相連，橫向骨架與裙板相連，此種連接方式和結(jié)構(gòu)能夠減少底板材料的使用，還能達(dá)到減輕動(dòng)車車身重量的目的。設(shè)備艙中的裙板材料主要有鋁合金等，裙板的連接方式復(fù)雜，雖然厚度較小，但是強(qiáng)度與剛度較高，在不經(jīng)常維修和檢查的地方設(shè)置通風(fēng)口并焊接到裙板上，能夠起到保護(hù)散熱和保護(hù)車下其他設(shè)備的重要作用。

3 ?設(shè)備艙結(jié)構(gòu)三維模型

三維結(jié)構(gòu)模型是指將高速列車的設(shè)備艙用實(shí)體進(jìn)行三維展現(xiàn)的過(guò)程，三維建模功能在設(shè)備艙結(jié)構(gòu)的了解中具有至關(guān)重要的作用，為本文后續(xù)高速列車車下設(shè)備艙底板的疲勞試驗(yàn)提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，能夠幫助相關(guān)工作人員更好的了解高速列車車下設(shè)備艙的整體結(jié)構(gòu)，明晰各結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。目前我國(guó)高速列車車下設(shè)備艙的組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主體結(jié)構(gòu)主要有骨架、裙板以及底板。三維建模軟件能夠與其它軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的鏈接，從而實(shí)現(xiàn)各數(shù)據(jù)軟件與三維建模軟件各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的交換，為三維建模提供更加準(zhǔn)確真實(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備艙的三維建模，不僅節(jié)省了數(shù)據(jù)記錄和傳送所需要的時(shí)間，節(jié)約人工成本，還在很大程度上提高了工作效率。在進(jìn)行三維建模時(shí)相關(guān)工作人員應(yīng)該堅(jiān)持于組合模型相一致的基本原則，不得隨意更改試驗(yàn)組合中模型的相關(guān)數(shù)據(jù)，在各結(jié)構(gòu)連接方式模型建立的同時(shí)要符合高速列車車下設(shè)備艙底板的實(shí)際結(jié)構(gòu)，連接內(nèi)容主要包括骨架、裙板、底板與骨架之間的連接方式，堅(jiān)持三維建模與實(shí)際情況相一致的基本原則。在完成設(shè)備艙三維建模之后應(yīng)該加強(qiáng)有限元模型的應(yīng)用，有限元模型的應(yīng)用能夠清晰的反映出其具體的受力或變形情況。

4 ?高速列車車下設(shè)備艙底板疲勞試驗(yàn)

高速列車車下設(shè)備艙底板疲勞試驗(yàn)主要包括四個(gè)內(nèi)容，即實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、測(cè)試條件、測(cè)試對(duì)象和試驗(yàn)臺(tái)及加載方式。

第一，高速列車車下設(shè)備艙底板疲勞試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)其可靠性和安全性，正確精準(zhǔn)評(píng)估高速列車車下設(shè)備艙受地面氣動(dòng)效應(yīng)的影響與使用壽命。

第二，疲勞試驗(yàn)的測(cè)試條件包括測(cè)試環(huán)境，即在試驗(yàn)臺(tái)下進(jìn)行。

第三，疲勞試驗(yàn)測(cè)試對(duì)象與測(cè)試內(nèi)容[3]。測(cè)試對(duì)象為高速列車車下設(shè)備艙組合模型，將裙板、端板等模擬零部件組合為一個(gè)基本框架，模擬動(dòng)車運(yùn)動(dòng)時(shí)狀態(tài)，測(cè)試其承載狀況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募虞d試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)各零部件進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)試。

第四，試驗(yàn)臺(tái)加載方式。試驗(yàn)臺(tái)加載是疲勞試驗(yàn)中的重要試驗(yàn)環(huán)節(jié)，是檢測(cè)起高速列車車下設(shè)備艙底板使用壽命的主要手段。將組合好的車下設(shè)備艙模型倒放在地上并予以固定，固定后對(duì)兩側(cè)裙板進(jìn)行施壓，放置作動(dòng)器、鋼板加載等來(lái)模擬設(shè)備艙底板受到的地面氣動(dòng)的實(shí)際場(chǎng)景。疲勞試驗(yàn)具有簡(jiǎn)單易操作、可視化等優(yōu)點(diǎn)，真實(shí)展示了高速列車車下設(shè)備艙底板與地面的氣動(dòng)效應(yīng)，有助于提高工作效率，提高其可靠性與安全性。

5 ?在疲勞試驗(yàn)中影響疲勞強(qiáng)度的主要原因

5.1 機(jī)械零件結(jié)構(gòu)因素

在疲勞試驗(yàn)中涉及到多種機(jī)械零件，而不同機(jī)械零件具有不同的缺口，例如拐角、槽溝等，這些缺口會(huì)集中應(yīng)力，集中應(yīng)力后會(huì)使機(jī)械零件的局部應(yīng)力升高，機(jī)械零件原材料由于具有一定的延展性使得局部應(yīng)力均勻化，因此靜強(qiáng)度與機(jī)械零件缺口無(wú)明顯關(guān)系。但是在疲勞試驗(yàn)環(huán)境下，機(jī)械零件上的拐角和切口等缺口受到的應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)不到該材料的延展條件，跟正常環(huán)境下相比缺少應(yīng)力重新分配的過(guò)程，使得試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力受力不均，機(jī)械零件缺口處應(yīng)力集中的疲勞強(qiáng)度與平滑處不同，增加了疲勞試驗(yàn)的難度，是影響疲勞強(qiáng)度的主要因素之一，因此在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮機(jī)械零件結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響[4]。此外，機(jī)械零件尺寸也是影響疲勞強(qiáng)度的主要原因，如果零件尺寸大，則疲勞強(qiáng)度降低，因此被稱為尺寸效應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)前根據(jù)實(shí)際情況確定實(shí)驗(yàn)機(jī)械零件的尺寸，減少其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

5.2 試驗(yàn)環(huán)境因素

實(shí)驗(yàn)環(huán)境是影響疲勞試驗(yàn)疲勞強(qiáng)度的重要因素。大部分疲勞試驗(yàn)是在室內(nèi)完成的，使用MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)，由于試驗(yàn)?zāi)M的電路工況需要比實(shí)際情況復(fù)雜，施加載荷要大于正常值，預(yù)估動(dòng)荷系數(shù)范圍，在此試驗(yàn)環(huán)境下可以達(dá)到百分之九十的可靠性。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中載荷數(shù)值不能過(guò)大，這樣會(huì)對(duì)設(shè)備艙骨架造成損耗，因此一般疲勞試驗(yàn)次數(shù)約為一千萬(wàn)次，預(yù)定載荷值為1.6KN。精準(zhǔn)的預(yù)估數(shù)據(jù)和良好的試驗(yàn)環(huán)境是疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)，也為技術(shù)工作人員提供了較為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，大大提升其工作效率，有助于提高我國(guó)高速列車的運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行效率。

6 ?試驗(yàn)過(guò)程涉及的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

6.1 小波數(shù)據(jù)處理技術(shù)

小波數(shù)據(jù)處理技術(shù)是一個(gè)剔除較小應(yīng)力波形的過(guò)程。應(yīng)力波形是疲勞試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的應(yīng)力波形小循環(huán)，這些應(yīng)力波形對(duì)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)幾乎不產(chǎn)生任何影響，因此在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中需要將其剔除掉，已達(dá)到減少數(shù)據(jù)處理工作量的目的，縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高效率[5]。目前我國(guó)用于高速列車車下設(shè)備艙底板疲勞試驗(yàn)的小波數(shù)據(jù)處理值為5MPa。

6.2 濾波處理技術(shù)

濾波技術(shù)通常應(yīng)用的是數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波器可以將有規(guī)律的干擾頻率進(jìn)行分析和濾掉。在氣動(dòng)效應(yīng)試驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中，周圍信號(hào)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，當(dāng)干擾出現(xiàn)規(guī)律的時(shí)候我們可以利用數(shù)字濾波器對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行分析處理，找出頻率范圍并進(jìn)行屏蔽。數(shù)字濾波器有四種頻率選擇，會(huì)根據(jù)干擾頻率的范圍做出相應(yīng)的調(diào)整，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性[6]。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的加速度信號(hào)濾波技術(shù)不進(jìn)行相應(yīng)的處理，原因是加速度的信號(hào)強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于應(yīng)力信號(hào)，因此相關(guān)工作人員要根據(jù)具體情況選擇合適的濾波處理技術(shù)。此外，相關(guān)工作人員在研究疲勞壽命時(shí)應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)姆骞葦?shù)值，著重關(guān)注試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的最大值和最小值。

7 ?結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，高速列車車下設(shè)備艙底板的可靠性研究對(duì)提升我國(guó)動(dòng)車運(yùn)行速度、運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行效率具有重要的作用。疲勞試驗(yàn)是檢驗(yàn)動(dòng)車車下設(shè)備倉(cāng)底板安全性與可靠性的重要措施，鐵路相關(guān)技術(shù)工作人員在設(shè)計(jì)試驗(yàn)前要充分考慮到設(shè)備艙機(jī)械零件結(jié)構(gòu)、環(huán)境因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中充分運(yùn)用小波數(shù)據(jù)處理技術(shù)和濾波數(shù)據(jù)處理技術(shù)，縮短試驗(yàn)時(shí)間，簡(jiǎn)單試驗(yàn)過(guò)程，提高工作效率?；谖覈?guó)動(dòng)車事業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，要致力于自身技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，減少對(duì)國(guó)外核心技術(shù)的依賴，加強(qiáng)自主創(chuàng)新，加強(qiáng)鐵路相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的培養(yǎng)，促進(jìn)我國(guó)交通事業(yè)又好又快發(fā)展。

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