重載貨車車體疲勞臺架試驗(yàn)技術(shù)研究

李向偉,方 吉1,,李文全,張 強(qiáng),趙尚超

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院, 遼寧 大連 116028；2.中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)

重載鐵路貨車的載重大、 編組長，這必然會造成結(jié)構(gòu)受到更大的垂向與縱向載荷，因此對其抗疲勞性能的考核也更加嚴(yán)格。當(dāng)前對于重載貨車關(guān)鍵零部件的疲勞可靠性研究已取得了明顯進(jìn)步，有效支撐了相關(guān)重載貨車產(chǎn)品的研發(fā)。但是針對核心承載結(jié)構(gòu)的全尺寸車體而言，由于缺少必要的試驗(yàn)裝備，以往對于這種大型結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性研究還僅僅依賴于仿真計(jì)算或線路動應(yīng)力測試，因此對其實(shí)際全壽命周期的抗疲勞性能的評價必然會出現(xiàn)偏差，這也是引起一系列車體結(jié)構(gòu)疲勞失效，造成經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患的主要原因之一[1-5]。

基于此，中車齊齊哈爾車輛有限公司設(shè)計(jì)建造了我國首臺鐵路貨車車體疲勞試驗(yàn)臺，該試驗(yàn)臺能滿足45 t軸重以下的重載鐵路貨車全尺寸車體疲勞試驗(yàn)的要求，并可適用于標(biāo)準(zhǔn)軌、窄軌或?qū)捾壍蔫F路貨車，還具有整車振動試驗(yàn)及轉(zhuǎn)向架參數(shù)測定等功能[6]。與此同時圍繞重載鐵路貨車車體疲勞壽命的有效性評估，在試驗(yàn)裝備開發(fā)、線路響應(yīng)測試及模擬試驗(yàn)方法等方面開展了深入研究，并以澳大利亞BHP40 t軸重礦石車、神華專用線C80鋁合金車等車型為實(shí)例開展了疲勞試驗(yàn)，有效評估了這些車體結(jié)構(gòu)的抗疲勞可靠性，驗(yàn)證了該試驗(yàn)臺的加載能力及模擬試驗(yàn)方法，并為其他重載貨車產(chǎn)品的研發(fā)提供了良好借鑒。

1 車體疲勞試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)

為了避免試驗(yàn)誤差，要求我們在試驗(yàn)時盡可能采用與實(shí)際一致的全尺寸結(jié)構(gòu)，并盡可能采用與實(shí)際一致的真實(shí)載荷，這也是試驗(yàn)研究人員所追求的目標(biāo)。在航空工業(yè)中(同樣適用于汽車和鐵路行業(yè))常用“金字塔法則”描述各種尺度下從小試樣到全尺寸結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的疲勞試驗(yàn)流程，如圖1所示?！敖鹱炙钡讓釉囼?yàn)所需費(fèi)用較低，試樣個數(shù)通常也比頂層的全尺寸結(jié)構(gòu)要多。同樣，試驗(yàn)中所施加的載荷也應(yīng)盡可能地接近實(shí)際情況(見圖2)，這樣才能得出與實(shí)際更為接近的試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 疲勞試驗(yàn)的“金字塔法則”

圖2 試驗(yàn)加載載荷的“金字塔法則”

然而對于全尺寸車體這種大型結(jié)構(gòu)件，尤其是針對重載貨車載荷工況的要求，如何才能從試驗(yàn)原理上實(shí)現(xiàn)與線路運(yùn)行工況一致的加載條件，這不但需要設(shè)計(jì)特殊的加載試驗(yàn)臺，還需要在試驗(yàn)效率及模擬精度上進(jìn)行系統(tǒng)研究。

全尺寸車體疲勞試驗(yàn)臺主要由液壓控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動控制系統(tǒng)、安全保護(hù)及監(jiān)控系統(tǒng)、測試信號采集與處理系統(tǒng)、工裝配套設(shè)施等組成。車鉤一端有縱向加載桿，另一端是縱向約束裝置。車體的橫向激振來自于搖枕的橫向作動器，車體的垂向和側(cè)滾振動來自于搖枕左右兩側(cè)的垂向位移控制器，另外在搖枕兩側(cè)縱向安裝有縱向作動器，控制搖枕的縱向振動和搖頭振動[7]。疲勞試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—縱向約束桿；2—模擬搖枕垂向作動器；3—模擬搖枕橫向作動器；4—模擬搖枕縱向作動器；5—縱向加載桿；6—空氣彈簧支撐裝置；7—模擬搖枕；8—縱向加載框架。圖3 疲勞試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)臺各作動器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，車鉤力作動器最大激振力3 500 kN，垂向作動器每個最大激振力630 kN(4個作動器垂向總載252 t)，工作頻率范圍0～30 Hz，因此該試驗(yàn)臺可滿足長編組、大軸重的重載貨車加載能力要求。

表1 車體疲勞試驗(yàn)臺作動器主要參數(shù)

在試驗(yàn)時將被試車體放置在前后兩個模擬搖枕上。模擬搖枕由空氣彈簧支承，用于抵消貨車車體和裝載貨物的垂向自重。模擬搖枕的縱向作動器，既能平衡車體前后車鉤力的變化，又可產(chǎn)生繞心盤的回轉(zhuǎn)力矩，方便模擬轉(zhuǎn)向架相對于車體的扭轉(zhuǎn)振動及因此而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩作用。

該疲勞試驗(yàn)臺即可模擬車輛運(yùn)行過程中車體承受的垂向、橫向和縱向激振載荷，同時還可以模擬運(yùn)行過程中車鉤力的變化，通過特殊的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車體在臺架上的振動與受力情況與線路上基本保持一致，從而滿足了模擬線路運(yùn)營狀態(tài)下的車體疲勞試驗(yàn)的基本要求。

2 全尺寸車體疲勞的模擬試驗(yàn)原理

獲得車體在車輛運(yùn)營期間的線路動態(tài)響應(yīng)譜，是進(jìn)行車體疲勞試驗(yàn)的第一步。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后形成試驗(yàn)臺的目標(biāo)信號，其中包括能反映車體在線路上的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的加速度信號，能反映疲勞關(guān)注部位的應(yīng)力信號及反映車體受縱向載荷的車鉤力信號，有了這些處理好的原始數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行下一步的模擬試驗(yàn)。

全尺寸車體疲勞模擬試驗(yàn)要解決的兩大關(guān)鍵技術(shù)：一是如何才能較準(zhǔn)確的模擬車體在線運(yùn)行條件下的狀態(tài)，二是如何縮短疲勞試驗(yàn)的時間(即加速疲勞試驗(yàn))。因此要求疲勞試驗(yàn)臺具有垂向、橫向、縱向及車鉤力等加載能力，同時具有先進(jìn)的控制系統(tǒng)能夠保證所加載的載荷大小及相位與線路條件一致。另外，為縮短試驗(yàn)時間提高試驗(yàn)效率，需要對線路測試數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，即剔除對車體產(chǎn)生疲勞損傷較小的載荷事件，同時保留對車體疲勞影響比較大載荷的大小、頻率及相位等信息，從而達(dá)到加速疲勞試驗(yàn)的目的[2]。

2.1 線路運(yùn)行模擬原理

貨車通常采用長編組運(yùn)營方案，每一輛貨車都會承受車鉤傳遞的縱向載荷作用，另外還需要承受來自轉(zhuǎn)向架傳遞的垂向、橫向和扭轉(zhuǎn)載荷作用。這些載荷數(shù)據(jù)可以通過線路試驗(yàn)測試獲得，但直接測試這些載荷并非易事，需要提前制作對應(yīng)的測力元件并進(jìn)行安裝調(diào)試，目前工程上通常采用間接的方法來獲得這些載荷。通過測試車體關(guān)鍵部位的垂向、橫向和縱向振動加速度及應(yīng)變數(shù)據(jù)，然后通過試驗(yàn)臺再現(xiàn)車體的這些振動狀態(tài)，從而獲得線路模擬載荷。

由于線路運(yùn)行條件下，轉(zhuǎn)向架和車體是一個相互耦合的系統(tǒng)，而試驗(yàn)臺的模擬搖枕是通過空氣彈簧與作動器支撐，因此即使通過試驗(yàn)臺的控制系統(tǒng)，能夠使得模擬搖枕的運(yùn)動姿態(tài)與線路一致，但由于試驗(yàn)臺架的系統(tǒng)固有頻率及減振機(jī)制與整車系統(tǒng)(帶轉(zhuǎn)向架)不同，因此當(dāng)模擬搖枕的振動狀態(tài)與線路運(yùn)行狀態(tài)基本一致后，傳遞到車體的載荷與線路也可能不一致，為了解決這個問題，這里采用基于時域的迭代技術(shù)來反求加載作動器的驅(qū)動載荷(時域迭代算法TWR - Time Waveform Replication)，通過迭代處理非線性問題。

基于TWR迭代線路模擬方法的流程如圖4所示。車體安裝于疲勞試驗(yàn)臺架之后與試驗(yàn)臺架之間形成一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)的輸入是各個激振作動器驅(qū)動信號，系統(tǒng)的輸出是與線路測試相同的關(guān)鍵測點(diǎn)測試信號。首先可以通過白噪聲信號作為初始輸入信號與系統(tǒng)的輸出響應(yīng)信號求得系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣，這個頻率響應(yīng)函數(shù)是系統(tǒng)的固有特征，可以利用該特征以線路試驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)的測試信號為目標(biāo)信號，通過迭代的方法來反求作動器的驅(qū)動信號。同時針對每一次迭代的結(jié)果，對驅(qū)動信號頻率成分進(jìn)行調(diào)整，并將垂、橫向驅(qū)動與縱向驅(qū)動分開創(chuàng)建驅(qū)動信號。

圖4 基于TWR迭代的線路模擬方法

系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣H(f)可以通過式(1)獲得，即系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣可以根據(jù)輸入驅(qū)動和輸出相應(yīng)互功率譜密度函數(shù)矩陣除以輸入驅(qū)動自功率譜密度矩陣來獲得。

H(f)=Gyx(f)/Gxx(f)

(1)

式中：Gyx(f)為輸入信號和輸出信號的互功率譜密度函數(shù)矩陣；Gxx(f)為輸入信號的自功率譜密度矩陣函數(shù)。

軌道貨車系統(tǒng)在線路運(yùn)行過程中，由于運(yùn)行速度相對比較低，主要振動能量集中在低頻段，車體承受的高頻載荷能量比較少，因此采用白噪聲和粉紅噪聲組合的白粉噪聲信號作為初始輸入信號。通常情況下白噪聲信號用來模擬低頻載荷輸入，粉紅噪聲部分模擬高頻載荷輸入。初始輸入信號的幅值采用測試數(shù)據(jù)的3～4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，起始頻率設(shè)置為0.4～0.6 Hz，截至頻率不超過30 Hz，如圖5所示。

圖5 白粉紅噪聲信號

通過白噪聲輸入獲得系統(tǒng)頻響函數(shù)之后，可以根據(jù)目標(biāo)信號(即線路測試信號)和頻率響應(yīng)函數(shù)之間的數(shù)學(xué)運(yùn)算關(guān)系式(2)計(jì)算獲得初始驅(qū)動信號。

x0(t)=α×IFFT[H(f)-1FFT(y(t))]

(2)

式中：α為增益系數(shù)；y(t)為目標(biāo)信號。獲得比較準(zhǔn)確的系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)是迭代成功與否的關(guān)鍵，合理的系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)可以有效降低系統(tǒng)非線性的影響。同時，需要根據(jù)每一步迭代過程中輸入與輸出的關(guān)系動態(tài)調(diào)整輸入信號的頻率成分，并設(shè)置合理的增益系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，使得系統(tǒng)的響應(yīng)快速逼近目標(biāo)信號。

基于初始輸入信號，對比試驗(yàn)臺上車體的輸出響應(yīng)信號y(t)與目標(biāo)信號，得到誤差信號e1(t)為

e1(t)=y(t)-y1(t)

(3)

用誤差信號e1(t)結(jié)合頻率響應(yīng)函數(shù)，計(jì)算出驅(qū)動信號修正量Δx1(t)為

Δx1(t)=α×IFFT[H(f)-1FFT(e1(t))]

(4)

再根據(jù)修正量Δx1(t)，得到修正后的驅(qū)動信號xi(t)為

x1(t)=x0(t)+Δx1(t)

(5)

對于第i步，修正后的驅(qū)動信號xi(t)為

xi(t)=xi-1(t)+Δxi(t)

(6)

迭代過程中的每一步都需要進(jìn)行相應(yīng)的誤差計(jì)算，評定標(biāo)準(zhǔn)以均方根值表示。

(7)

通過試驗(yàn)臺的反復(fù)迭代，直到試驗(yàn)臺上車體的輸出響應(yīng)信號和目標(biāo)信號的誤差達(dá)到誤差允許的范圍之內(nèi)，結(jié)束迭代。最后一次所采用的驅(qū)動載荷即為通過迭代方法獲得的與實(shí)際線路相等效的驅(qū)動信號。

將通過迭代方法獲得的縱向驅(qū)動載荷與垂、橫向作動器作為初始驅(qū)動載荷共同激勵試驗(yàn)臺。再次通過迭代方法微調(diào)整垂、橫、縱向驅(qū)動載荷的幅值，使得關(guān)鍵部位應(yīng)力測點(diǎn)每公里的疲勞損傷值與線路測試結(jié)果的誤差保持在5%以內(nèi)。滿足條件的驅(qū)動文件作為最終的疲勞試驗(yàn)驅(qū)動文件，通過在試驗(yàn)臺架上重復(fù)該驅(qū)動文件，實(shí)現(xiàn)不同里程數(shù)的疲勞試驗(yàn)。

2.2 加速疲勞試驗(yàn)原理

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，軌道貨車車體的疲勞壽命一般比較長，即使產(chǎn)生疲勞失效，一般也是發(fā)生在運(yùn)營數(shù)年或數(shù)十年之后。如果以線路真實(shí)載荷為輸入的疲勞試驗(yàn)需要進(jìn)行很長時間的疲勞試驗(yàn)才能驗(yàn)證被試驗(yàn)車體結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性，因此需要研究提高疲勞試驗(yàn)效率的方法。

目前常用的加速度疲勞試驗(yàn)的方法主要有：提高加載頻率法、線性強(qiáng)化譜法及小量刪減法。提高加載頻率法要求被試驗(yàn)對象的固有頻率遠(yuǎn)高于加載頻率，而車體結(jié)構(gòu)頻率一般比較低；線性強(qiáng)化譜法與實(shí)際測量數(shù)據(jù)有一定偏差，從而影響試驗(yàn)精度，這兩種方法都不適合于對車體的疲勞試驗(yàn)。

由于車體的激勵載荷以低頻為主，高頻振動的能量比較小，所以小量刪減法相對比較適合。通過線路測試數(shù)據(jù)進(jìn)行時域、頻域分析、雨流統(tǒng)計(jì)等，識別對車體疲勞損傷較小的區(qū)段，設(shè)定閾值刪除對車體疲勞損傷影響較小的小載荷事件，從而壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)加速疲勞試驗(yàn)。壓縮數(shù)據(jù)的方法主要步驟如下：

(1)將線路試驗(yàn)測得關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力時間歷程去除無效信號、去零漂、濾波等預(yù)處理后進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)。

(2)針對不同測點(diǎn)的特征選取對應(yīng)的S-N曲線，在雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)后計(jì)算總損傷，并根據(jù)線路試驗(yàn)周期，按時間域刪去無損傷或極小損傷的小幅振動波形，如圖6、圖7所示。需要綜合考慮加載時間、成本等問題來選取合適的閾值，應(yīng)充分遵循損傷等效原則，即小載荷循環(huán)舍掉前后車體關(guān)鍵部位的損傷等效。

圖6 S-N曲線示意

圖7 時域曲線中的波形對應(yīng)關(guān)系

(3)為了保持各輸入載荷之間的相位關(guān)系，在刪除無損傷小幅振動波形時，需要做到同步刪除，即按時間段進(jìn)行刪除，同時需要兼顧其他通道的大幅振動波不被刪除。如圖7所示，3個通道的波形之間存在相位差，只要有一個通道存在較大幅值，另外兩個通過與之對應(yīng)的區(qū)段都需要保留，因此只能刪除3個區(qū)間同時出現(xiàn)無損傷小幅振動波形的區(qū)段(如圖中a、b、c區(qū)域)，這樣即能保證刪減后輸入載荷的相位不變，而且保留了所需要的大幅振動數(shù)據(jù)。

綜上所述，要實(shí)現(xiàn)重載貨車車體線路模擬疲勞試驗(yàn)，首先要針對該車完成一段線路試驗(yàn)，并通過測試獲得該車線路條件下關(guān)鍵部位的加速度和應(yīng)變數(shù)據(jù)，其次，需要對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得壓縮后的測試數(shù)據(jù)，最后利用整車試驗(yàn)臺的TWR迭代方法獲得等效疲勞損傷的疲勞驅(qū)動載荷文件，通過反復(fù)加載完成貨車車體疲勞模擬試驗(yàn)。

3 重載貨車車體疲勞試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)例

由于重載貨車載重大、編組長，列車在運(yùn)行過程中車體結(jié)構(gòu)承受的垂向與縱向載荷比較大，因此要求車體疲勞試驗(yàn)裝備應(yīng)該具有足夠的加載能力，其次還要準(zhǔn)確測定車體在重載線路上的動態(tài)響應(yīng)，最后還要采用合理的方法再現(xiàn)模擬車體在線運(yùn)行狀態(tài)及加速車體疲勞試驗(yàn)?？紤]到當(dāng)前重載貨車的軸重普遍不高于45 t，另計(jì)入1.3倍動荷系數(shù)，垂向總重應(yīng)低于234 t，而該試驗(yàn)臺可以滿足垂向252 t的動載能力，同時試驗(yàn)臺的縱向車鉤力作動器施加的縱向激振力范圍為-3 500～3 500 kN，可以不通過緩沖器直接作用在牽引梁上，因此該試驗(yàn)臺可以滿足目前大部分重載貨車的加載要求。

在滿足上述基本條件后，還需要深入研究線路動響應(yīng)測試技術(shù)，研究模擬車體在線運(yùn)行狀態(tài)的方法，研究加速車體疲勞試驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)結(jié)果的分析與評估。下面以出口澳大利亞BHP公司的40 t軸重礦石專用敞車為重載貨車的典型實(shí)例，詳細(xì)介紹上述各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 線路動響應(yīng)測試

出口澳大利亞BHP公司的40 t軸重礦石專用敞車，是世界上重載鐵路貨車的典型代表[8]。為了驗(yàn)證本文提出的貨車車體疲勞試驗(yàn)方法的有效性，針對出口的BHP礦石專用敞車進(jìn)行線路運(yùn)行試驗(yàn)及測試。

40 t軸重礦石車線路動態(tài)響應(yīng)的測試線路為紐曼到黑德蘭港之間的主線，單程為430 km，往返860 km。從黑德蘭港到紐曼礦區(qū)先為上坡線路，運(yùn)行220 km后海拔高度達(dá)到500 m左右，之后的210 km基本為平直線路，高度波動在50 m內(nèi)，如圖8所示。測試工況為全工況測試，包括裝載工況，空、重車線路運(yùn)行工況，撥、翻車工況。列車編組248輛由4臺機(jī)車牽引(約4萬t)。線路動態(tài)響應(yīng)測試共進(jìn)行2列測試車5個編組位置的測試(第7和8、61和62、79和80、93和94、121和122節(jié))。根據(jù)對測試數(shù)據(jù)的處理和分析，選取較為惡劣的121(編號3197號)和122(編號3109號)節(jié)車的測試數(shù)據(jù)作為車體疲勞試驗(yàn)的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，具體編組情況如圖9所示。

圖8 測試線路

圖9 測試車編組位置示意

根據(jù)強(qiáng)度分析及試驗(yàn)，用于車體疲勞損傷監(jiān)控的動應(yīng)力測點(diǎn)布置在車體底架和車體端墻上，具體位置如圖10所示。

圖10 動應(yīng)力測點(diǎn)布置圖

車體底架加速度測點(diǎn)布置在車端鉤門上方、枕梁和車體中梁，如圖11所示。

根據(jù)測試結(jié)果，最大車鉤力發(fā)生在重車線路運(yùn)行工況中，為2 510 kN，但只出現(xiàn)1次；在1 000～2 000 kN內(nèi)的車鉤力，兩個測試周期的重車線路運(yùn)行工況中，3197號車鉤共發(fā)生35次，3109號車鉤共發(fā)生17次；兩個測試周期的撥車工況中，3197號車鉤共發(fā)生78次，3109號車鉤共發(fā)生76次；空車線路運(yùn)行中兩車鉤力都小于800 kN。在500～800 kN內(nèi)的車鉤力，3197號車鉤共發(fā)生10次，3109號車鉤共發(fā)生9次[9]。

經(jīng)對各工況車體應(yīng)變分析可知，3197號測試車在空、重車線路運(yùn)行和撥車工況中的最大應(yīng)變發(fā)生在中梁Z3斷面下蓋板邊緣處，在翻車工況中的最大應(yīng)變發(fā)生在壓車梁中部下表面的ycl3測點(diǎn)處。將相同測點(diǎn)在不同工況中產(chǎn)生的最大應(yīng)變值進(jìn)行了比較，如圖12所示。

表2 測點(diǎn)簡化名稱

圖12 相同測點(diǎn)在不同工況中的最大應(yīng)變值對比

從圖12可以看出,橫梁、枕梁和壓車梁測點(diǎn)的最大應(yīng)變值發(fā)生在翻車工況中，中梁和小縱向梁測點(diǎn)的最大應(yīng)變值發(fā)生在重車線路運(yùn)行中，撥車座和端墻橫帶測點(diǎn)的最大應(yīng)變值發(fā)生在撥車工況中。

3.2 加速疲勞試驗(yàn)方案

對線路運(yùn)行采取的加速疲勞試驗(yàn)方案為：以損傷等效為原則，通過壓縮處理，刪除對車體疲勞不產(chǎn)生或產(chǎn)生極小的損傷的實(shí)測數(shù)據(jù)，達(dá)到加速疲勞試驗(yàn)的目的，縮短試驗(yàn)時間。壓縮過程中，所有測點(diǎn)數(shù)據(jù)要同步壓縮，且保證壓縮后各測點(diǎn)數(shù)據(jù)間的相位關(guān)系不變。

壓縮閾值為各評估點(diǎn)S-N曲線的截止極限，對重車線路運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，壓縮后數(shù)據(jù)保留時長和壓縮比見表3。

表3 壓縮后數(shù)據(jù)保留時長和壓縮比

對壓縮后的重車線路運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行損傷計(jì)算，各測點(diǎn)保留損傷情況見表4。

表4 測試周期2的重車線路運(yùn)行數(shù)據(jù)

從壓縮后的數(shù)據(jù)所保留的損傷比例可以看出，測試周期2中的ycl1_hb_sde、n7、Z3_3109測點(diǎn)保留損傷占原損傷的99.35%、97.13%和99.78%外，其他測點(diǎn)的保留損傷與原損傷一致。

通過對實(shí)測數(shù)據(jù)分析可知，車體疲勞損傷主要產(chǎn)生在重車線路運(yùn)行工況(含翻車機(jī)卸載)，空車線路運(yùn)行工況對車體的疲勞損傷較小，因此車體疲勞試驗(yàn)可以僅做重車線路運(yùn)行、撥車和翻車機(jī)工況。

3.3 車體疲勞模擬試驗(yàn)

將被試車體安裝在試驗(yàn)臺的2個模擬搖枕上，每個模擬搖枕裝有2個垂向作動器和1個橫向作動器，車體兩端的鉤緩裝置用疲勞試驗(yàn)臺加載裝置替換，車體非手制動機(jī)端與試驗(yàn)臺的縱向加載作動器連接，手制動機(jī)端通過連接裝置與試驗(yàn)臺連接，圖13為被試車體安裝圖。

圖13 40 t軸重BHP公司重載礦石車車體疲勞試驗(yàn)

重車線路運(yùn)行工況：在車體疲勞試驗(yàn)臺上調(diào)整4個垂向作動器和2個橫向作動器的控制信號，直至被試車體枕梁的垂、橫向加速度響應(yīng)信號與目標(biāo)信號相近，形成垂、橫向加載初始驅(qū)動文件，以車鉤力信號作為縱向加載初始驅(qū)動文件[10-13]。

撥車工況：通過調(diào)整縱向作動器的控制信號使被試車體中梁的Z3_3197應(yīng)變測點(diǎn)的響應(yīng)信號與正弦目標(biāo)信號接近，形成撥車工況的初始驅(qū)動文件。

疲勞試驗(yàn)驅(qū)動文件：對垂、橫、縱向作動器的初始驅(qū)動文件進(jìn)行微調(diào)，直至被試車體疲勞損傷評估點(diǎn)的總損傷與重車線路運(yùn)行(含撥車)工況的總損傷接近，形成重車線路運(yùn)行(含撥車)工況的疲勞試驗(yàn)驅(qū)動文件。圖14為重車線路運(yùn)行部分測點(diǎn)的時域信號對比圖，藍(lán)色為目標(biāo)信號，紅色為響應(yīng)信號。

圖14 重車線路運(yùn)行部分測點(diǎn)的時域信號對比

重車線路運(yùn)行的驅(qū)動文件時長為224 s，撥車工況的驅(qū)動文件時長為38 s，翻車工況的驅(qū)動文件時長為18.4 s，因此一次往返的驅(qū)動文件總長為280.4 s。按25年全壽命考核，驅(qū)動文件需運(yùn)行5814次循環(huán)，用時長約為453 h，每天試驗(yàn)時間按24 h計(jì)算，約19 d完成試驗(yàn)(不包含停臺檢查時間)。

3.4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)過程中等效運(yùn)行1.67年對車體進(jìn)行定期檢查，定期檢查分兩種方法：

(1)試驗(yàn)臺下的全面檢查。在等效運(yùn)行5、15、25 a時，將試驗(yàn)車體從試驗(yàn)臺吊下，對底架焊縫進(jìn)行磁粉探傷，對側(cè)墻和端墻焊縫進(jìn)行著色滲透探傷，對車體上邊梁尺寸進(jìn)行測量。

(2)試驗(yàn)臺上的目視檢查。在等效運(yùn)行5、15、25 a時以外的其他定期檢查中，采用目視的方法對車體底架和端墻側(cè)墻狀態(tài)進(jìn)行檢查，對車體上邊梁尺寸進(jìn)行測量。在等效運(yùn)行15 a以后的檢查中增加了車體底架部分焊縫的磁粉探傷。

車體疲勞試驗(yàn)重車線路運(yùn)行(含撥車)工況，共運(yùn)行驅(qū)動文件5814.27次，試驗(yàn)時間423.15 h，等效重車線路運(yùn)行250.01萬km和5814次撥車作業(yè)。翻車機(jī)工況共運(yùn)行驅(qū)動文件5814次，試驗(yàn)時間29.8 h。以上全工況累計(jì)試驗(yàn)時間共452.95 h。

車體疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，對車體疲勞損傷評估點(diǎn)的疲勞試驗(yàn)累計(jì)總損傷與實(shí)測線路運(yùn)行的預(yù)期總損傷進(jìn)行對比，比較結(jié)果見表5。

表5 疲勞試驗(yàn)累計(jì)總損傷與實(shí)測線路運(yùn)行預(yù)期總損傷比較結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：以列車編組121、122位置的最不利工況下的測試數(shù)據(jù)所生成的驅(qū)動文件為加載條件，該車評估點(diǎn)累計(jì)損傷的模擬試驗(yàn)與線路實(shí)測的相對誤差為-10%～23%，試驗(yàn)與線路實(shí)測結(jié)果相近。試驗(yàn)檢查發(fā)現(xiàn)在等效重車線路運(yùn)行150萬km時，壓車梁和撥車座相關(guān)位置產(chǎn)生了疲勞裂紋。在等效重車線路運(yùn)行250萬km時結(jié)束試驗(yàn)，上側(cè)梁寬度方向最大變形為7 mm，該變形量在設(shè)計(jì)允許公差范圍內(nèi)。全面檢查發(fā)現(xiàn)其他位置狀態(tài)良好，可以達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的要求。該試驗(yàn)的完成不但評估了40 t軸重BHP重載礦石車的車體疲勞壽命，還充分驗(yàn)證了該試驗(yàn)臺的試驗(yàn)精度、加載能力及試驗(yàn)程序，同時也證明了上述研究成果的實(shí)用性及有效性。

4 結(jié)論

(1)全尺寸車體疲勞試驗(yàn)臺主要由液壓控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動控制系統(tǒng)、安全保護(hù)及監(jiān)控系統(tǒng)、測試信號采集與處理系統(tǒng)、工裝配套設(shè)施等組成。該試驗(yàn)臺的車鉤力作動器施加縱向激振力范圍為-3 500～3 500 kN，垂向總動載252 t，可以滿足長編組、大軸重的重載貨車加載能力要求。

(2)全尺寸車體疲勞模擬試驗(yàn)要解決的兩大關(guān)鍵技術(shù)是“車體在線運(yùn)行狀態(tài)的模擬和加速車體疲勞試驗(yàn)”。即通過試驗(yàn)臺加載系統(tǒng)向車體施加激勵，通過TWR迭代反求作動器驅(qū)動信號的方法，使被試車體在試驗(yàn)臺上的振動狀態(tài)和受力狀態(tài)與車體在線路運(yùn)行時基本一致。加速車體疲勞試驗(yàn)是根據(jù)S-N曲線，在保證相位相同的情況下刪除對車體產(chǎn)生疲勞損傷較小的載荷事件，達(dá)到加速疲勞試驗(yàn)的目的。

(3)40 t軸重BHP重載礦石車車體疲勞試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)包括：動態(tài)響應(yīng)測試、數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)的壓縮及驅(qū)動文件的實(shí)現(xiàn)等。對該車車體進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的結(jié)果表明：評估點(diǎn)累計(jì)損傷的模擬試驗(yàn)與線路實(shí)測的相對誤差為-10%～23%，試驗(yàn)與線路實(shí)測的結(jié)果相近，充分驗(yàn)證了該試驗(yàn)臺的試驗(yàn)精度、加載能力及試驗(yàn)程序，同時也證明了上述研究內(nèi)容的實(shí)用性及有效性。