高速動(dòng)車組構(gòu)架載荷特征研究

任尊松，曹 杰，李玉怡，王斌杰，魏 雪

(北京交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100044)

構(gòu)架位于軌道車輛車體和輪對(duì)之間，為車輛各種懸掛系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)以及其他輔助裝置等提供安裝位置，承受和傳遞來自車體和輪對(duì)以及牽引制動(dòng)系統(tǒng)等的各種載荷。因此，構(gòu)架是高速動(dòng)車組的重要部件之一，其結(jié)構(gòu)可靠性對(duì)保證高速動(dòng)車組運(yùn)用安全具有十分重要的意義。

構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和疲勞試驗(yàn)遵從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范執(zhí)行。這些現(xiàn)行規(guī)范/標(biāo)準(zhǔn)主要包括EN13749[1]、UIC615-4[2]和JIS E4208[3]等。目前，中國已成為世界高速鐵路第一大國，須在高速動(dòng)車組關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面形成中國標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范體系，從本質(zhì)上保證高速列車的運(yùn)行安全性和結(jié)構(gòu)可靠性。要達(dá)到這一目標(biāo)，首先，需要明確我國高速動(dòng)車組在國內(nèi)線路上的實(shí)際運(yùn)用狀態(tài)。

高速動(dòng)車組運(yùn)用狀態(tài)主要由列車自身結(jié)構(gòu)、運(yùn)行速度、軌道狀態(tài)以及周圍環(huán)境等因素決定。這些影響因素最終以力/載荷的方式施加到列車上，從而影響其運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性和可靠性。因此，獲得作用于高速動(dòng)車組關(guān)鍵部件上的各種載荷，尤其是作用于構(gòu)架上的各種載荷，成為高速動(dòng)車組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和保障運(yùn)用安全的基礎(chǔ)和前提。

現(xiàn)階段，高速動(dòng)車組載荷研究主要集中在輪軌力和空氣動(dòng)力兩個(gè)方面。輪軌力與列車運(yùn)行安全性密切相關(guān)，因此，高速列車輪軌載荷測(cè)試和研究受到高度關(guān)注和重視[4-9]，并取得了豐碩的成果?？諝鈩?dòng)力不僅與列車運(yùn)行安全性有關(guān)，而且涉及列車能耗和噪聲，因此，近年來取得了很好的發(fā)展[10- 12]。

如圖1所示，作用在高速動(dòng)車組車輛構(gòu)架上的載荷主要包括軸箱彈簧載荷、定位節(jié)點(diǎn)載荷(橫向載荷、縱向載荷)、電機(jī)垂向和橫向載荷、齒輪箱垂向載荷、抗側(cè)滾裝置載荷、牽引裝置載荷、制動(dòng)載荷、各種減振器載荷(軸箱、橫向、垂向、抗蛇行等減振器)以及二系空氣彈簧載荷等。在獲得一系懸掛系統(tǒng)載荷后，由力平衡原理可以獲得二系空氣彈簧力。因此，構(gòu)架載荷識(shí)別、測(cè)試和研究主要集中在一系懸掛載荷以及電機(jī)和齒輪箱等部件振動(dòng)引起的載荷。準(zhǔn)確獲得高速動(dòng)車組實(shí)際線路運(yùn)行工況下作用在構(gòu)架上的這些載荷，對(duì)保證國內(nèi)高速動(dòng)車組設(shè)計(jì)、運(yùn)用安全以及實(shí)現(xiàn)我國高速鐵路技術(shù)“走出去”目標(biāo)，具有十分重要的意義。

圖 1 高速動(dòng)車組構(gòu)架載荷Fig. 1 Bogieframe loads of high-speed EMU

在軌道車輛構(gòu)架載荷特征研究方面，Ren等[13]測(cè)試了某型高速動(dòng)車組軸箱彈簧載荷和定位轉(zhuǎn)臂橫向載荷，獲得了這些載荷的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。Wang等[14]在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試基礎(chǔ)上建立地鐵車輛構(gòu)架的載荷譜，研究了提高地鐵車輛構(gòu)架疲勞可靠性方法。鄒驊[15]開展了城際動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架載荷譜研究，編制了基于損傷一致的構(gòu)架載荷譜。王文靜等[16]研究了某型高速動(dòng)車組抗側(cè)滾扭桿載荷特征，結(jié)果表明當(dāng)列車運(yùn)行速度由250 km/h增大到350 km/h時(shí)，抗側(cè)滾扭桿載荷幅值最大值可增大30%?；輹札埖萚17]、朱海斌等[18]分別研究了某型動(dòng)車組彈簧和定位轉(zhuǎn)臂載荷特征，結(jié)果表明隨著列車速度提高，載荷譜中大載荷出現(xiàn)的概率明顯提升。Luo等[19]通過軌道激擾測(cè)試、模型建立、載荷時(shí)間歷程數(shù)值仿真、動(dòng)態(tài)分析和應(yīng)力計(jì)算、疲勞壽命計(jì)算五個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)架疲勞壽命研究。

目前，高速動(dòng)車組構(gòu)架載荷測(cè)試、特征分析以及載荷譜建立均有所涉及，但這些研究多以單一或者兩種載荷為主，沒有全面和系統(tǒng)地研究多種載荷共同作用下的特征，也很少涉及曲線通過、輪軌沖擊等對(duì)載荷的影響分析。另外，上述這些研究偏重于動(dòng)力學(xué)或者結(jié)構(gòu)可靠性某一方面，未能將兩者統(tǒng)一起來綜合開展研究。有鑒于此，本文在提出某型高速動(dòng)車組多種載荷識(shí)別方法的基礎(chǔ)上，實(shí)際線路測(cè)試作用在構(gòu)架上的多種載荷，并從動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度兩方面，分析這些載荷在時(shí)域和頻域內(nèi)的特征，給出其載荷譜和等效載荷。

1 載荷識(shí)別方法及分類

1.1 構(gòu)架載荷識(shí)別方法

構(gòu)架上作用有多種載荷。由于篇幅限制，這里主要研究軸箱彈簧垂向載荷、定位轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)橫向載荷、電機(jī)垂向載荷、電機(jī)橫向載荷、齒輪箱垂向載荷以及抗側(cè)滾扭桿裝置載荷的識(shí)別方法和特征。其他載荷的識(shí)別方法和特征擬在下階段研究中開展。

理論上，作用于構(gòu)架上的多種載荷，可通過在構(gòu)架上適當(dāng)位置布置合理數(shù)目的應(yīng)變計(jì)，再采用試驗(yàn)標(biāo)定方法，構(gòu)成如式(1)所示的測(cè)點(diǎn)載荷和應(yīng)變之間關(guān)系，從而識(shí)別這些載荷。

式中，A-1是A的逆矩陣。

式(3)可進(jìn)一步改寫為：

理論上，只要試驗(yàn)標(biāo)定載荷組合工況合理，式(4)中的載荷-應(yīng)變系數(shù)矩陣可以通過試驗(yàn)標(biāo)定獲得。但在實(shí)際運(yùn)用中，存在A為奇異矩陣、某些測(cè)點(diǎn)應(yīng)變信號(hào)過小以及載荷標(biāo)定工況線性相關(guān)等問題，導(dǎo)致這種載荷識(shí)別方法的可行性和可靠性差。尤其是當(dāng)待識(shí)別的載荷數(shù)量多、矩陣A和矩陣B的維數(shù)偏高時(shí)，上述方法更加難以實(shí)現(xiàn)，因此，這種方法難以準(zhǔn)確識(shí)別作用在構(gòu)架上的多個(gè)載荷。

為解決上述問題，本文通過對(duì)矩陣A和矩陣B采用解耦和降維的方法來實(shí)現(xiàn)載荷識(shí)別。解耦是指選擇的某一載荷識(shí)別點(diǎn)只對(duì)該種載荷有響應(yīng)且是強(qiáng)響應(yīng)，對(duì)其他載荷無響應(yīng)。降維是指多種載荷信號(hào)混疊的測(cè)點(diǎn)構(gòu)成如式(1)中的矩陣時(shí)，該矩陣維數(shù)盡可能小，且一般情況下維數(shù)不大于4，即要求借助式(3)來獲得載荷-應(yīng)變系數(shù)的載荷數(shù)不大于4。

要實(shí)現(xiàn)載荷解耦識(shí)別，主要在構(gòu)架上選擇合理的載荷識(shí)別點(diǎn)位置，使得該位置只對(duì)某種特定的載荷產(chǎn)生應(yīng)變，對(duì)其他載荷不產(chǎn)生應(yīng)變，從而使得該種載荷的識(shí)別與其他載荷識(shí)別完全解耦。這里，作用于構(gòu)架上的軸箱定位轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)橫向載荷、電機(jī)垂向載荷、電機(jī)橫向載荷等，采用該種方法實(shí)現(xiàn)載荷識(shí)別，其基本原理如圖2(a)所示。即將構(gòu)架上某些吊座視為懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過在這些吊座上選擇合理的測(cè)點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)載荷識(shí)別。

這里，作用于構(gòu)架上的軸箱定位轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)橫向載荷、電機(jī)垂向和橫向載荷識(shí)別點(diǎn)在構(gòu)架上的位置分別如圖3(a)和圖3(b)。

如果兩種或兩種以上載荷不能完全解耦需要聯(lián)合識(shí)別時(shí)，懸臂梁載荷識(shí)別法同樣適用。即先識(shí)別出如圖2(b)中最外側(cè)的載荷P1，再通過相關(guān)理論和方法，進(jìn)一步識(shí)別出另一種載荷P2。具體的計(jì)算方法可參考《材料力學(xué)》，這里不再贅述。這種方法主要用于構(gòu)架上軸箱彈簧垂向載荷識(shí)別。

常規(guī)地，在軸箱彈簧上黏貼應(yīng)變計(jì)并組成測(cè)試電橋后，可以獲得軸箱載荷引起的應(yīng)變信號(hào)，從而得到作用于軸箱彈簧上的載荷。但這種方法難以消除彈簧承受的部分橫向載荷和縱向載荷引起的應(yīng)變信號(hào)，即難以獲得準(zhǔn)確的垂向載荷。

圖 2 構(gòu)架載荷識(shí)別懸臂梁法Fig. 2 Cantilever beam method for load identification

圖 3 軸箱定位節(jié)點(diǎn)及電機(jī)載荷識(shí)別方法Fig. 3 Load identification methods for trailing arm forces and motor loads

為此，本文采用如圖4所示的方法識(shí)別軸箱彈簧垂向載荷。其基本原理是在軸箱減振器上布置載荷識(shí)別測(cè)點(diǎn)，首先識(shí)別出作用于軸箱減振器上的垂向載荷，該載荷即為圖2(b)中的P1。在構(gòu)架側(cè)梁帽筒內(nèi)側(cè)合理位置布置垂向載荷識(shí)別應(yīng)變計(jì)，該載荷相當(dāng)于圖2(b)中的P2，由此識(shí)別出軸箱彈簧垂向載荷。這一方法適用于構(gòu)架端頭4組彈簧載荷的識(shí)別。

圖 4 軸箱彈簧垂向載荷識(shí)別Fig. 4 Axle spring vertical loads identification method

作用在構(gòu)架上的齒輪箱垂向載荷和抗側(cè)滾裝置載荷，借助二力桿原理實(shí)現(xiàn)載荷識(shí)別。即這些部件上只承受拉壓或者扭轉(zhuǎn)載荷，通過在這些部件合理位置布置應(yīng)變計(jì)并組成測(cè)試電橋，即可實(shí)現(xiàn)載荷識(shí)別和測(cè)試。齒輪箱垂向載荷和抗側(cè)滾裝置載荷測(cè)點(diǎn)布置方案如圖5所示。需要說明的是，識(shí)別的抗側(cè)滾裝置載荷實(shí)際上是作用在扭臂上的垂向載荷F(圖5(b))。

圖 5 齒輪箱載荷和抗側(cè)滾裝置載荷識(shí)別方法Fig. 5 Load identification methods for gearbox forces and anti-roll-bar loads

由此可見，這里的載荷-應(yīng)變傳遞系數(shù)矩陣基本上為對(duì)角陣，即式(4)中的C一般只在對(duì)角線上有值，非對(duì)角的值為零，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)架上載荷解耦識(shí)別。

1.2 載荷標(biāo)定

在專用臺(tái)架上，對(duì)所有載荷逐一進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定過程主要包括對(duì)載荷逐級(jí)加載并逐級(jí)遞減，以獲得不同載荷下測(cè)點(diǎn)應(yīng)變信號(hào)輸出。對(duì)存在一定程度耦合的載荷，選定不同的載荷組合標(biāo)定工況，對(duì)構(gòu)架進(jìn)行加載并輸出信號(hào)。

將載荷和應(yīng)變輸出信號(hào)進(jìn)行回歸，可得到載荷-應(yīng)變系數(shù)。如這里的軸箱垂向載荷、定位轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)橫向載荷識(shí)別點(diǎn)對(duì)應(yīng)的載荷-應(yīng)變系數(shù)分別為9.76 με/kN和16.13 με/kN。電機(jī)垂向和橫向載荷識(shí)別點(diǎn)對(duì)應(yīng)的載荷-應(yīng)變系數(shù)分別為6.93 με/kN和12.23 με/kN。

1.3 基于結(jié)構(gòu)損傷的構(gòu)架載荷分類

依據(jù)構(gòu)架運(yùn)動(dòng)和變形形式以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中載荷類型，可將作用于構(gòu)架軸箱位置的垂向載荷分為浮沉、扭轉(zhuǎn)、側(cè)滾載荷三種形式。將定位轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)橫向載荷歸為構(gòu)架橫向載荷。這里，前三種為轉(zhuǎn)向架四組彈簧通過式(5)獲得的值，構(gòu)架橫向載荷為四個(gè)定位節(jié)點(diǎn)橫向載荷的值。

式中：Fsi(i=1,2,3,4)為轉(zhuǎn)向架1位～4位軸箱彈簧垂向載荷；Fti為轉(zhuǎn)向架1位～4位定位轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)橫向載荷；Fver、Ftor、Frol以及Flat分別為作用于構(gòu)架的浮沉、扭轉(zhuǎn)、側(cè)滾和橫向載荷。

由式(5)可見，這4種載荷是作用在構(gòu)架上每一軸箱位置載荷的平均值，這些平均值乘以4即為作用在構(gòu)架上的這四種載荷的總載荷。將構(gòu)架載荷平均到每一軸箱位置，有利于將其與軸箱彈簧靜載荷值對(duì)比。按照該型高速動(dòng)車組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，作用于每軸箱彈簧的靜載荷為74.6 kN，作用于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架一側(cè)空簧位置的靜載荷為124.5 kN。

2 線路試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)列車采用8輛編組，載荷測(cè)試用構(gòu)架和相應(yīng)測(cè)力部件安裝在第4輛車前位轉(zhuǎn)向架上。線路試驗(yàn)區(qū)間為原平西站-忻州西站-陽曲西站，單程約100 km。測(cè)試期間列車多次往返，最高運(yùn)行速度368 km/h，測(cè)試總里程約5666 km。列車運(yùn)行試驗(yàn)為重載往返試驗(yàn)。為滿足重載試驗(yàn)對(duì)軸重的要求，試驗(yàn)前對(duì)列車進(jìn)行配重加載，以達(dá)到要求的定員重量。

重載測(cè)試期間，列車測(cè)試速度包括180 km/h、220 km/h、250 km/h、280 km/h、300 km/h、330 km/h、350 km/h六個(gè)等級(jí)。每一速度等級(jí)測(cè)試包括列車啟動(dòng)、加速、恒速惰行、減速和停車等過程。試驗(yàn)線路包括多個(gè)直線區(qū)段和15個(gè)曲線區(qū)段。曲線半徑包括R=2800 m、5500 m、7000 m、8000 m、10000 m和12000 m。

測(cè)試過程中，構(gòu)架所有載荷數(shù)據(jù)采樣頻率為1000 Hz，滿足測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率范圍要求。完整采集了列車所有測(cè)試線路工況上的數(shù)據(jù)，以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性，這些數(shù)據(jù)主要涵蓋了直線和曲線工況。將測(cè)試信號(hào)進(jìn)行數(shù)值處理和應(yīng)變-載荷轉(zhuǎn)化后，即可得到載荷時(shí)間歷程。

3 構(gòu)架載荷特征表征指標(biāo)

表征軌道車輛系統(tǒng)載荷特征的指標(biāo)有多種，這些指標(biāo)大體上可分為單值類和多值類兩種。為使得表征的構(gòu)架載荷特征具有工程實(shí)用性，這里選用載荷最大值、幅值、動(dòng)荷系數(shù)、頻域內(nèi)幅值、幅值頻率積(頻域內(nèi)幅值變化率)、主頻率、載荷峰值-速度以及載荷-頻次關(guān)系等指標(biāo)，表征高速動(dòng)車組構(gòu)架的載荷特征。

4 載荷時(shí)頻域特征

測(cè)試總數(shù)據(jù)量大，但測(cè)試線路工況較為單一，這些數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的載荷特點(diǎn)也較為明晰。有鑒于此，這里以原平西站至陽曲西站單程測(cè)試數(shù)據(jù)為例，開展載荷特征分析與研究。另外，350 km/h等級(jí)為該型動(dòng)車組后續(xù)主要運(yùn)營速度，因此這里主要分析這一速度下的構(gòu)架載荷特征。給出的載荷均為動(dòng)態(tài)載荷，即在靜載荷基礎(chǔ)上的波動(dòng)值，因此不包括靜載荷。下面給出的所有全程圖示中，列車從第100 s在正線上啟動(dòng)運(yùn)行，并于第1250 s正線上停止，正線單向運(yùn)行總時(shí)間約1150 s。

另外，這里的陀螺儀信號(hào)(mv)對(duì)應(yīng)線路的直線和曲線工況。列車直線運(yùn)行時(shí)，陀螺儀幅值在零值附近波動(dòng)。列車曲線通過時(shí)，陀螺儀信號(hào)發(fā)生偏移，其正負(fù)與轉(zhuǎn)角正方向的設(shè)定有關(guān)，偏移大小與曲線半徑有關(guān)，偏移時(shí)長(zhǎng)則與曲線長(zhǎng)度相關(guān)。

4.1 軸箱彈簧載荷

圖6(a)給出了轉(zhuǎn)向架前后輪對(duì)左右側(cè)軸箱彈簧載荷時(shí)間歷程，這些時(shí)間歷程包括列車啟動(dòng)、直線運(yùn)行、曲線通過、制動(dòng)等工況。圖6(b)為曲線通過放大圖示，圖6(c)為輪軌沖擊引起的彈簧載荷變化圖示。

圖 6 軸箱彈簧垂向載荷時(shí)間歷程Fig. 6 Time history of axle spring loads

由此可見，彈簧載荷與列車運(yùn)行速度緊密相關(guān)，即速度越高，載荷越大，這里的最大值為14.9 kN，最小值為-17.2 kN，最大動(dòng)荷系數(shù)為0.23。列車曲線通過時(shí)，輪對(duì)內(nèi)外側(cè)軸箱彈簧發(fā)生了明顯的減增載現(xiàn)象，這主要是列車高速曲線通過時(shí)，輪對(duì)外內(nèi)側(cè)輪軌力發(fā)生了增減載現(xiàn)象引起。因此，彈簧載荷不僅與速度相關(guān)，而且與曲線通過密切相關(guān)，且一般有列車曲線通過速度越高，彈簧載荷越大。圓曲線上，內(nèi)外側(cè)彈簧平均減增載量均約為4 kN。另外，列車曲線通過且軌道存在較大的沖擊激擾時(shí)，彈簧載荷將出現(xiàn)較大的沖擊峰值(圖6(b))。這里對(duì)應(yīng)的曲線半徑R=10000 m、通過速度V=350 km/h。

將輪軌沖擊振動(dòng)引起的彈簧載荷波動(dòng)局部放大后，得到的彈簧載荷波動(dòng)與衰減過程如圖6(c)所示，對(duì)應(yīng)的列車運(yùn)行速度分別為350 km/h、220 km/h和32 km/h。在這三種速度下，軸箱彈簧載荷峰值分別為13.1 kN、6.78 kN和2.81 kN，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)衰減時(shí)間分別約為0.1 s(約5個(gè)波動(dòng)周期，圖6(c)上圖)、0.08 s(約4個(gè)波動(dòng)周期，圖6(c)中圖)和0.06 s(約3個(gè)波動(dòng)周期，圖6(c)下圖)，對(duì)應(yīng)的頻率均約為50 Hz。

列車啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，軸箱彈簧上產(chǎn)生了相應(yīng)的載荷，主要由構(gòu)架和輪對(duì)間相對(duì)位移引起。前者產(chǎn)生的最大載荷約為3.6 kN，后者引起的最大載荷約為4.8 kN，分別約為彈簧靜載荷的4.8%和6.4%。

圖7給出了1位輪對(duì)左側(cè)彈簧載荷頻域內(nèi)的幅值和幅值頻率積。對(duì)彈簧載荷進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)后，可得到載荷在頻域內(nèi)的幅值、功率譜密度以及相位等參數(shù)。幅值頻率積是幅值與對(duì)應(yīng)頻率的乘積，該指標(biāo)能直觀地反映幅值在中高頻范圍內(nèi)的特性。實(shí)際上，頻率(Hz)是時(shí)間的倒數(shù)，因此幅值頻率積表示幅值的變化率，變化率越大，表明幅值在該頻率下的分量越大且瞬時(shí)性越強(qiáng)。有鑒于此，該指標(biāo)可稱為幅值變化率。

由圖7可見，從幅值上看彈簧載荷的主頻率為0.011 Hz、0.02 Hz、0.1 Hz以及49.4 Hz，其中前三種頻率表現(xiàn)得尤為明顯。從幅值頻率積來看，彈簧載荷的主頻率為49.4 Hz、76.3 Hz以及170.0 Hz，尤其是49.4 Hz和170 Hz頻率表現(xiàn)得更為明顯。前一主頻率是如圖6(c)中所示的輪軌沖擊引起的彈簧載荷頻率，后一主頻率應(yīng)是軸箱彈簧墊板引起的載荷截止頻率。由此可見，采用幅值頻率積這一指標(biāo)，能夠更直觀反映載荷在某些特征頻率上的沖擊或截止特性。彈簧載荷的幅值主要分布在100 Hz以內(nèi)，超過100 Hz的載荷對(duì)應(yīng)的幅值很小。另外，從圖7可以看出，彈簧載荷沒有明顯的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率33.5 Hz，表明在該試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)車輪外形的圓度較為標(biāo)準(zhǔn)。

圖 7 軸箱彈簧載荷幅值譜Fig. 7 Frequency amplitude of axle spring loads

4.2 構(gòu)架浮沉與扭轉(zhuǎn)載荷

圖8給出了構(gòu)架浮沉和扭轉(zhuǎn)載荷的時(shí)間歷程、頻域內(nèi)幅值以及幅值頻率積。由此可見，浮沉載荷和扭轉(zhuǎn)載荷與列車運(yùn)行速度密切相關(guān)，總體上是速度越高、載荷越大。正線上，最大浮沉載荷和扭轉(zhuǎn)載荷分別為6.0 kN和5.3 kN，分別為彈簧靜載荷的0.08倍和0.071倍。浮沉和扭轉(zhuǎn)載荷總體上與曲線幾乎無關(guān)。實(shí)際上，浮沉載荷是構(gòu)架垂直方向的總體載荷，扭轉(zhuǎn)載荷與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架兩組斜對(duì)角彈簧載荷相關(guān)，這些均與線路曲線關(guān)系不密切。在轉(zhuǎn)向架進(jìn)入直緩點(diǎn)和駛離緩直點(diǎn)時(shí)，前后輪對(duì)所在的曲線內(nèi)外側(cè)軌道高度存在差異，導(dǎo)致此時(shí)扭轉(zhuǎn)載荷有所增大(圖8(b))。列車啟動(dòng)和制動(dòng)對(duì)構(gòu)架浮沉和扭轉(zhuǎn)載荷幾乎無影響。

從圖8(b)可見，350 km/h速度下，浮沉和扭轉(zhuǎn)載荷均出現(xiàn)了時(shí)間間隔約為5.2 s的沖擊峰值，表明該試驗(yàn)線路區(qū)間存在長(zhǎng)度約500 m的周期性沖擊激擾，這與高速無縫線路焊接接頭有關(guān)，該沖擊即為圖6(c)對(duì)應(yīng)的彈簧沖擊。目前，國內(nèi)高速線路鋼軌整體加工長(zhǎng)度為100 m，在焊接基地將其焊接成每根500 m。線路鋪設(shè)現(xiàn)場(chǎng)鋼軌以每根500 m長(zhǎng)度鋪設(shè)后，再焊接為無縫線路。從測(cè)試結(jié)果來看，幾乎難以發(fā)現(xiàn)以1.03 s為周期(對(duì)應(yīng)鋼軌長(zhǎng)度100 m)的載荷。因此，可以認(rèn)為，焊接基地的鋼軌接頭焊接和軌頂廓型控制質(zhì)量高，鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊接和軌頂廓型控制質(zhì)量，明顯低于在焊接基地完成的質(zhì)量。

圖 8 構(gòu)架浮沉和扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)間歷程及幅值譜Fig. 8 Time histories and frequency amplitudes of vertical and torsional loads of bogieframe

由圖8(c)可見，浮沉載荷的主頻率為51.0 Hz、72.3 Hz、100.6 Hz和170.0 Hz。前一激擾頻率與彈簧沖擊載荷頻率基本一致。扭轉(zhuǎn)載荷頻率與列車運(yùn)行速度密切相關(guān)，對(duì)應(yīng)的主頻率為39.2 Hz和170.0 Hz。

4.3 構(gòu)架側(cè)滾與橫向載荷

圖9給出了正線上構(gòu)架側(cè)滾和橫向載荷的時(shí)間歷程。由此可見，側(cè)滾載荷和橫向載荷不僅與列車運(yùn)行速度有關(guān)，而且與曲線半徑密切相關(guān)。與速度相關(guān)表現(xiàn)為速度越高，載荷越大。與曲線相關(guān)表現(xiàn)為列車速度較低時(shí)載荷有所增大，但增加幅度不明顯，如圖9(a)中列車加速和降速階段；當(dāng)列車速度較高時(shí)，載荷幅值增大明顯，如圖9(a)中列車速度350 km/h階段；曲線上兩種載荷均有明顯增大，且增大方向與曲線方向一致，增大均值分別約為4.2 kN和3.2 kN(圖9(b))。該值與列車曲線通過速度、曲線半徑、外軌超高、車輛軸重以及轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)等相關(guān)。按照?qǐng)D9(a)中結(jié)果，這里的側(cè)滾載荷最大值為8.61 kN，對(duì)應(yīng)的側(cè)滾系數(shù)為0.14。橫向載荷最大值為6.92 kN，表明此時(shí)作用在整個(gè)構(gòu)架上的最大側(cè)滾和橫向載荷分別為34.4 kN和27.7 kN。列車低速曲線通過時(shí)，兩種載荷的幅值有變化，但不明顯。

列車啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，兩種載荷均有一定量的峰值出現(xiàn)。對(duì)于橫向載荷，這與制動(dòng)力導(dǎo)致構(gòu)架和輪對(duì)在慣性作用下兩者之間的速度和位移不一致有關(guān)。另外，構(gòu)架橫向載荷和側(cè)滾載荷在相位和幅值變化趨勢(shì)上，具有良好的一致性，這是因?yàn)檩S箱定位節(jié)點(diǎn)橫向載荷變化必然使得轉(zhuǎn)向架向一側(cè)發(fā)生偏移，從而引起構(gòu)架側(cè)滾載荷發(fā)生變化。

圖11給出了構(gòu)架側(cè)滾和橫向載荷的頻域幅值和幅值頻率積。由此可見，側(cè)滾載荷的主頻率為51 Hz，與浮沉載荷的主頻率基本一致，這與該兩種載荷均源自軸箱彈簧載荷有關(guān)。橫向載荷對(duì)應(yīng)的主頻率分別為4.58 Hz和25.8 Hz。前一頻率是轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)頻率，后一頻率是在每一個(gè)蛇行運(yùn)動(dòng)載荷上疊加了多個(gè)小幅值載荷形成的頻率，這些小幅值載荷與軌道激擾相關(guān)，對(duì)應(yīng)的軌道方向不平順波長(zhǎng)約3.8 m。

圖 9 構(gòu)架側(cè)滾及橫向載荷時(shí)間歷程Fig. 9 Time histories of roll loads and lateral forces of bogieframe

圖 10 構(gòu)架側(cè)滾與浮沉載荷系數(shù)Fig. 10 Roll and vertical loads coefficients of bogieframe

如式(7)所示，按照車輛蛇行運(yùn)動(dòng)頻率計(jì)算方法[20]，不同的列車運(yùn)行速度對(duì)應(yīng)不同的蛇行運(yùn)動(dòng)頻率。圖9(c)中，列車在220 km/h和350 km/h速度下，橫向載荷對(duì)應(yīng)的頻率分別為3.25 Hz和4.58 Hz。因此這里的4.58 Hz應(yīng)為輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)頻率，此時(shí)車輪踏面對(duì)應(yīng)的等效錐度約為0.03。

式中：f為輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)頻率；V為列車速度；為踏面等效錐度；b為輪對(duì)內(nèi)側(cè)距之半；r0為車輪滾動(dòng)圓半徑。

4.4 電機(jī)載荷

電機(jī)是高速動(dòng)車組動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的重要部件，他們提供動(dòng)力并驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架行進(jìn)，其動(dòng)態(tài)行為受到車輛系統(tǒng)振動(dòng)的影響。該型高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架電機(jī)通過螺栓固定在構(gòu)架的電機(jī)吊座上。因此，電機(jī)作用在構(gòu)架上的力以垂向和橫向載荷為主。

圖12給出了列車正線行駛時(shí)，電機(jī)垂向和橫向載荷的時(shí)間歷程。由此可見，列車運(yùn)行速度、軌道激擾和曲線等，均對(duì)電機(jī)載荷產(chǎn)生了影響?？傮w特征為：列車速度越高，電機(jī)載荷越大；激擾越明顯，載荷越大；列車曲線通過以及啟動(dòng)和制動(dòng)工況對(duì)電機(jī)載荷有一定的影響，但不明顯(圖12(b))。

圖 12 電機(jī)載荷時(shí)間歷程Fig. 12 Time histories of motor loads

圖12(c)中，電機(jī)載荷出現(xiàn)了規(guī)律性的沖擊峰值。速度350 km/h時(shí)，這些沖擊載荷的時(shí)間間隔約為5.2 s，對(duì)應(yīng)的軌道長(zhǎng)度為500 m，這正是前面所述的鋼軌現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)焊接接頭對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度。在這種沖擊作用下，軸箱彈簧、電機(jī)和齒輪箱等均產(chǎn)生了較大的垂向載荷，同時(shí)對(duì)電機(jī)橫向載荷產(chǎn)生了影響。另外，某些時(shí)間段電機(jī)沖擊載荷較大(如圖12(c)中 860 s～895 s)，某些時(shí)間段電機(jī)沖擊載荷較小(如圖12(c)中 895 s～906 s)，這表明現(xiàn)場(chǎng)鋼軌焊接接頭質(zhì)量控制不一致，即有些地段質(zhì)量較低，有些地段質(zhì)量較高。

圖13給出了電機(jī)垂向和橫向載荷在頻域內(nèi)的幅值和幅值頻率積。由此可見，兩種載荷的主頻率均為4.58 Hz和49.1 Hz。前一種頻率表明：轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)將引起電機(jī)在構(gòu)架上產(chǎn)生垂向和橫向載荷。后一種頻率主要是鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊接接頭引起的電機(jī)沖擊載荷頻率。84.6 Hz和170 Hz存在倍頻關(guān)系，應(yīng)是轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)中襯墊引起的截止頻率。即這里的電機(jī)振動(dòng)載荷頻率產(chǎn)生了兩次截?cái)嘈Ч?，這在圖13的幅值頻率積中體現(xiàn)得十分明顯。

圖 13 電機(jī)載荷幅值譜Fig. 13 Frequency amplitudes of motor loads

4.5 齒輪箱載荷

齒輪箱一端通過軸承聯(lián)結(jié)在車軸上，另一端通過吊桿連接在構(gòu)架上，其施加在構(gòu)架上的力以垂向載荷為主。圖14給出了齒輪箱載荷的時(shí)間歷程。與電機(jī)載荷類似，列車速度越高齒輪箱載荷越大。列車曲線通過對(duì)齒輪箱載荷有一定程度的影響，但不明顯。鋼軌接頭引起的沖擊載荷，在齒輪箱載荷上有明顯體現(xiàn)(圖14(b))。

圖 14 齒輪箱載荷時(shí)間歷程Fig. 14 Time histories of gearbox loads of bogieframe

圖14(c)對(duì)比了兩種速度下軸箱彈簧載荷、電機(jī)垂向載荷和齒輪箱載荷在鋼軌接頭沖擊下的載荷變化。鋼軌焊接接頭引起的輪軌沖擊，通過車輪首先傳遞至軸箱彈簧，再通過構(gòu)架傳遞至聯(lián)結(jié)在構(gòu)架上的電機(jī)和齒輪箱。電機(jī)和齒輪箱均安裝在構(gòu)架橫梁上。從結(jié)構(gòu)上看，可將構(gòu)架、電機(jī)和齒輪箱視為帶有集中質(zhì)量的簡(jiǎn)支梁系統(tǒng)。當(dāng)支點(diǎn)(這里是軸箱彈簧)有沖擊振動(dòng)輸入時(shí)，該振動(dòng)將傳遞至集中質(zhì)量，由于梁的彈性作用，這種振動(dòng)在集中質(zhì)量上有可能被放大。從圖14(c)來看，此時(shí)(圖中879.6 s)輪軌沖擊引起的轉(zhuǎn)向架四組軸箱彈簧動(dòng)態(tài)載荷之和的最大值為12.8 kN，引起的電機(jī)和齒輪箱沖擊載荷峰值分別為14.8 kN和18.7 kN，分別約為彈簧動(dòng)態(tài)峰值的1.16倍和1.46倍。相對(duì)于軸箱彈簧載荷，電機(jī)和齒輪箱載荷有一定的相位延遲和幅值動(dòng)態(tài)增大過程。另外，速度較低時(shí)，彈簧載荷之和峰值大于電機(jī)和齒輪箱載荷峰值；速度高時(shí)，彈簧載荷之和峰值小于電機(jī)和齒輪箱載荷峰值。

圖15給出了齒輪箱載荷在頻域內(nèi)的幅值和幅值頻率積。由此可見，齒輪箱載荷的主頻率為38 Hz，是鋼軌焊接接頭沖擊引起的載荷頻率(圖14(b))。與電機(jī)載荷的該種頻率相比，齒輪箱載荷的主頻率有所降低，這與齒輪箱吊桿與構(gòu)架吊座聯(lián)結(jié)方式中，存在一定程度的間隙和彈性橡膠元件有關(guān)。齒輪箱載荷在170 Hz有明顯的高頻截止現(xiàn)象，這亦與聯(lián)結(jié)位置存在橡膠元件有關(guān)。

另外，從圖14(b)可以看出，鋼軌焊接接頭作用下的齒輪箱垂向載荷存在十分明顯的沖擊現(xiàn)象。由于該載荷是在齒輪箱吊桿上測(cè)試獲得，因此，必要時(shí)可在齒輪箱吊桿上安裝加速度傳感器，用以檢測(cè)輪軌垂直方向的脈沖型激擾。吊桿質(zhì)量較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，這種方法的準(zhǔn)確性應(yīng)較高且簡(jiǎn)單易行。

4.6 抗側(cè)滾裝置載荷

圖16給出了車輛正線行駛時(shí)抗側(cè)滾裝置載荷的時(shí)間歷程。由此可見，抗側(cè)滾裝置載荷主要與車輛曲線通過有關(guān)，其次與列車運(yùn)行速度相關(guān)。表現(xiàn)為：高速曲線通過時(shí)，抗側(cè)滾扭桿上的載荷明顯增大，如圖16(a)中的B點(diǎn)和C點(diǎn)時(shí)刻，最大值為12.8 kN；低速曲線通過時(shí)，載荷也將增大，但增大幅值相對(duì)較小，如圖16(a)中A點(diǎn)和D點(diǎn)時(shí)刻。隨機(jī)激擾引起的振動(dòng)載荷基本上維持在2 kN之內(nèi)(圖16(b))?；蛘哒f，只有當(dāng)車輛曲線通過時(shí)，抗側(cè)滾裝置才產(chǎn)生大幅值載荷，用以抑制車體側(cè)滾運(yùn)動(dòng)；直線運(yùn)行時(shí)，其載荷小，表明車體側(cè)滾運(yùn)動(dòng)不明顯。圖17給出抗側(cè)滾裝置載荷頻域內(nèi)幅值和幅值頻率積?？箓?cè)滾裝置載荷主頻率包括4.58 Hz、38.8 Hz、105.3 Hz以及170 Hz等。這些頻率在前面的各種載荷中有所體現(xiàn)，這里不再贅述。另外，抗側(cè)滾裝置載荷的有效頻率主要分布在10 Hz以內(nèi)，且170 Hz截止頻率現(xiàn)象十分明顯。

圖 15 齒輪箱載荷幅值譜Fig. 15 Frequency amplitudes of gearbox loads

圖 16 抗側(cè)滾裝置載荷時(shí)間歷程Fig. 16 Time histories of anti-roll-bar loads

圖 17 抗側(cè)滾扭桿載荷幅值譜Fig. 17 Frequency amplitude of anti-roll-bar loads

5 載荷統(tǒng)計(jì)特征

5.1 速度對(duì)構(gòu)架載荷峰值影響

由第4節(jié)可知，列車速度和線路曲線均對(duì)構(gòu)架載荷產(chǎn)生了明顯影響。這里以構(gòu)架軸箱彈簧載荷、浮沉、扭轉(zhuǎn)以及側(cè)滾載荷峰值為例，進(jìn)一步說明這種影響特性。

圖18給出了車輛在180 km/h、220 km/h、250 km/h、280 km/h、300 km/h、330 km/h、350 km/h速度下，軸箱彈簧載荷以及構(gòu)架浮沉載荷、扭轉(zhuǎn)載荷和側(cè)滾載荷的最大值和最小值。由此可見，當(dāng)列車速度大于250 km/h后，運(yùn)行速度越高，載荷越大；當(dāng)速度為220 km/h時(shí)，載荷峰值比250 km/h對(duì)應(yīng)的峰值大；當(dāng)速度為180 km/h時(shí)，載荷峰值最小。

實(shí)際上，構(gòu)架載荷主要由速度、曲線和軌道激擾引起。當(dāng)速度超過250 km/h后，速度、曲線和軌道隨機(jī)激擾都對(duì)載荷產(chǎn)生明顯影響，因此，有速度越高、載荷越大。當(dāng)速度在220 km/h～250 km/h時(shí)，列車曲線通過形成過超高，且速度越低過超高越大，此時(shí)載荷反而較250 km/h時(shí)有所增大。當(dāng)速度低于200 km/h時(shí)，受速度降低影響，軌道隨機(jī)激擾引起的載荷明顯下降，因此，載荷峰值總體上有所減小。

5.2 構(gòu)架載荷幅值和作用頻次

依據(jù)結(jié)構(gòu)疲勞原理，結(jié)構(gòu)損傷不僅與其承受的載荷幅值有關(guān)，而且與載荷作用頻次密切相關(guān)，該頻次為載荷循環(huán)頻次。這些載荷和頻次可為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和疲勞試驗(yàn)提供幫助。由載荷幅值和頻次構(gòu)成的載荷又稱為載荷譜。這里采用雨流計(jì)數(shù)法，統(tǒng)計(jì)列車單趟行程出現(xiàn)的載荷幅值和頻次。

圖 18 不同速度下構(gòu)架載荷極值Fig. 18 Maximum loads with different operation speeds of train

圖19給出了不同速度下構(gòu)架浮沉、扭轉(zhuǎn)和側(cè)滾載荷譜，對(duì)應(yīng)的運(yùn)用里程約為100 km(圖20、圖21與此一致)。不同速度下載荷總頻次基本一致，且總體上有速度越高載荷幅值越大。浮沉、扭轉(zhuǎn)和側(cè)滾載荷的最大幅值分別為11.1 kN、8.65 kN和15.3 kN。另外，側(cè)滾載荷幅值一般情況下不超過11 kN，但是當(dāng)列車速度為350 km/h時(shí)最大幅值有明顯增加。需要說明的是，這里的載荷值為轉(zhuǎn)向架構(gòu)架每軸箱位置動(dòng)態(tài)載荷的平均值，具體可見式(5)。

圖 19 構(gòu)架浮沉和扭轉(zhuǎn)及側(cè)滾載荷譜(單趟)Fig. 19 Load spectra of vertical, torsional and roll forces

圖20給出了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架定位節(jié)點(diǎn)的橫向載荷譜和電機(jī)載荷譜?？傮w上有列車運(yùn)行速度越高，構(gòu)架定位節(jié)點(diǎn)橫向載荷越大。橫向載荷幅值一般不超過10 kN，少數(shù)情況下可以達(dá)到14 kN左右。由于這里的橫向載荷為轉(zhuǎn)向架構(gòu)架四個(gè)軸箱定位節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)載荷的平均值，因此，可認(rèn)為作用在構(gòu)架上總的橫向載荷一般不超過40 kN，少數(shù)情況可達(dá)到56 kN。

圖 20 構(gòu)架橫向和電機(jī)載荷譜(單趟)Fig. 20 Load spectra of lateral forces and motor forces

圖 21 齒輪箱及抗側(cè)滾扭桿載荷譜(單趟)Fig. 21 Load spectra of gearbox and anti-roll-bar forces

這里同樣表明，列車速度對(duì)電機(jī)載荷影響十分明顯。電機(jī)垂向和橫向載荷幅值一般不超過36 kN和20 kN，這與JIS E4208[3]中確定的載荷基本一致。

按照J(rèn)IS E4208[3]構(gòu)架設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，模擬運(yùn)營工況下構(gòu)架上作用的載荷值如式(8)所示：

式中：Lp為零部件自重，電機(jī)質(zhì)量Lp=750 kg。依據(jù)式(8)，電機(jī)振動(dòng)引起的垂向和橫向載荷最大值分別約為37.5 kN和30 kN。由此可見，這里的電機(jī)最大幅值，略小于JIS E4208[3]給出的動(dòng)態(tài)值。

圖21給出了齒輪箱垂向載荷和抗側(cè)滾扭桿載荷的載荷譜。同樣地，速度對(duì)這兩種載荷均有明顯的影響?？傮w上是列車速度越高、載荷越大。350 km/h速度下，齒輪箱(350 kg)最大載荷幅值約為18.8 kN。依據(jù)式(8)，實(shí)際線路測(cè)試獲得的載荷超過了依據(jù)JIS E4208[3]對(duì)應(yīng)的值(17.5 kN)。

抗側(cè)滾裝置載荷幅值一般不超過8 kN·m，少數(shù)情況可達(dá)到18.3 kN·m。相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)只給出了抗側(cè)滾裝置的最大振動(dòng)加速度值，沒有給出其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。這里的實(shí)測(cè)值可為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

6 等效載荷

實(shí)際線路測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)，最終目的是為高速動(dòng)車組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和疲勞試驗(yàn)提供幫助。為此，利用上述載荷譜，這里研究可用于構(gòu)架疲勞試驗(yàn)的載荷。

載荷作用下，結(jié)構(gòu)可出現(xiàn)靜強(qiáng)度不足和疲勞強(qiáng)度不足兩種失效形式。前一種失效形式與結(jié)構(gòu)承受的幅值大但出現(xiàn)次數(shù)極少的載荷有關(guān)，這種載荷稱為超常載荷；后一種失效方式與軌道車輛運(yùn)營過程中承受的幅值小但作用頻次高的載荷有關(guān)，這種載荷稱為運(yùn)營載荷。這里研究常規(guī)運(yùn)營工況下，構(gòu)架承受的運(yùn)營載荷及其對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞損傷的影響。

依據(jù)結(jié)構(gòu)疲勞原理，可將所有測(cè)試?yán)锍虄?nèi)的載荷幅值，等效為1500萬運(yùn)用里程、200萬次循環(huán)下的等效載荷。等效載荷Feq的計(jì)算方法如式(9)所示。

式中：L為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命；N為相應(yīng)結(jié)構(gòu)或材料疲勞試驗(yàn)時(shí)的載荷循環(huán)次數(shù)；L1為實(shí)際線路測(cè)試?yán)锍?；Fi和ni分別為統(tǒng)計(jì)的載荷譜中每級(jí)載荷對(duì)應(yīng)的幅值和作用頻次；m為材料指數(shù)。

依據(jù)高速動(dòng)車組設(shè)計(jì)壽命，取L=15 000 000 km，N=200萬次。高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為焊接結(jié)構(gòu)，取m=3.5；抗側(cè)滾扭桿裝置為母材結(jié)構(gòu)，取m=5。該型高速動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)營速度主要在300 km/h～350 km/h范圍，少數(shù)情況下有180 km/h、220 km/h、250 km/h速度等級(jí)。依據(jù)這一原則，這里構(gòu)造了該型動(dòng)車組2000 km 運(yùn)用里程下的載荷譜，即L1=2000 km，其組成為：350 km/h、330 km/h、300 km/h、250 km/h、220 km/h、180 km/h速度等級(jí)對(duì)應(yīng)的運(yùn)用里程分別為800 km、500 km、300 km、200 km、100 km、100 km。

依據(jù)式(9)獲得的200萬次循環(huán)下各載荷的等效載荷如表1所示。由此可見，構(gòu)架浮沉、扭轉(zhuǎn)、側(cè)滾和橫向載荷大致在40 kN～50 kN范圍內(nèi)，電機(jī)垂向和齒輪箱載荷比相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)稍大，抗側(cè)滾裝置載荷為10.5 kN。這些等效載荷為構(gòu)架結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)提供了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果依據(jù)。

表 1 構(gòu)架等效載荷 /kNTable 1 Equivalent loads of bogieframe

需要說明的是，表1中的載荷均為動(dòng)載荷，不包括靜載荷。鑒于目前構(gòu)架疲勞試驗(yàn)加載方式，這里給出的浮沉、扭轉(zhuǎn)和側(cè)滾載荷不再是每一軸箱位置載荷，而是構(gòu)架整體載荷，兩者之間存在4倍關(guān)系，具體見式(5)。電機(jī)垂向、電機(jī)橫向、抗側(cè)滾裝置以及齒輪箱垂向載荷，為轉(zhuǎn)向架上每一套裝置的等效載荷。常規(guī)地，每臺(tái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上有兩套電機(jī)、兩套齒輪箱裝置和一套抗側(cè)滾扭桿裝置。

7 結(jié)論

采用解耦和降維方法，本文提出了某型高速動(dòng)車組構(gòu)架軸箱彈簧垂向載荷、定位節(jié)點(diǎn)橫向載荷、電機(jī)垂向和橫向載荷、齒輪箱垂向載荷以及抗側(cè)滾裝置載荷的識(shí)別方法，制作了測(cè)力構(gòu)架和測(cè)力元件，實(shí)際線路測(cè)試了該型動(dòng)車組運(yùn)行過程中載荷引起的應(yīng)變信號(hào)。對(duì)測(cè)試信號(hào)處理后，分析了載荷的時(shí)域和頻域特征，獲得了基于結(jié)構(gòu)疲勞的構(gòu)架等效載荷。主要結(jié)論如下：

(1)列車運(yùn)行速度和軌道激擾對(duì)軸箱彈簧載荷、定位節(jié)點(diǎn)橫向載荷、電機(jī)載荷以及齒輪箱載荷影響明顯，一般有速度越高載荷越大，軌道激擾越強(qiáng)載荷越大。列車運(yùn)行速度和曲線線路對(duì)抗側(cè)滾裝置載荷影響明顯，一般有曲線通過時(shí)速度越高載荷越大，軌道隨機(jī)激擾對(duì)抗側(cè)滾裝置載荷影響不明顯。

(2)列車正線行駛時(shí)，構(gòu)架載荷峰值主要由鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊接接頭引起，構(gòu)架浮沉、側(cè)滾和扭轉(zhuǎn)載荷的最大值分別為24.0 kN、34.4 kN和21.2 kN，橫向載荷最大值為27.7 kN。

(3)鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊接接頭不平順引起構(gòu)架軸箱彈簧和電機(jī)等產(chǎn)生明顯的沖擊載荷，且頻率一般為49 Hz～51 Hz。構(gòu)架有效載荷幅值的頻率主要在0 Hz～100 Hz范圍內(nèi)。受聯(lián)結(jié)位置襯墊的影響，電機(jī)和齒輪箱載荷頻率在170 Hz有較明顯的截止現(xiàn)象。

(4)列車正線行駛時(shí)，彈簧最大動(dòng)荷系數(shù)為0.23，構(gòu)架側(cè)滾和浮沉載荷系數(shù)最大值分別為0.14和0.1，兩者之和及之差最大值分別為0.17和0.16。電機(jī)和齒輪箱載荷峰值接近JIS E4208[3]給出的動(dòng)載荷值。

本文提出高速動(dòng)車組構(gòu)架主要載荷識(shí)別方法，研究了構(gòu)架載荷的動(dòng)態(tài)特征，并給出了相應(yīng)的載荷譜和等效載荷。需要說明的是，數(shù)值仿真是研究車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的重要手段，并能取得事半功倍的效果。但在高速動(dòng)車組載荷和振動(dòng)特征方面仍需要開展細(xì)致的試驗(yàn)研究，以發(fā)現(xiàn)和彌補(bǔ)理論研究難以全面探索的機(jī)理或者現(xiàn)象，如這里的鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊接接頭沖擊、載荷頻率截止現(xiàn)象以及建立載荷譜時(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)用性和有效性等。