城軌車體端部底架疲勞試驗方法研究

火巧英，金文濤，李東風，竇卿，王沖，王康

（1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031；2.南京雷爾偉新技術股份有限公司，江蘇 南京 210031；3.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

隨著我國城市化進程的不斷加快，交通擁堵問題成為制約城市發(fā)展的主要因素之一。城市軌道交通運轉密度高、行車間隔短、運載能力大，同時又具有安全環(huán)保等優(yōu)點，因此發(fā)展城市軌道交通成為有效緩解城市交通擁堵的不二選擇。而隨著城市軌道交通的發(fā)展與鋁合金制造技術的成熟，城軌車輛車體開始朝著高速化、輕量化發(fā)展，車體的輕量化使得其疲勞強度問題更為值得關注[1]。

城市軌道交通的客戶群體主要是各個地方政府，客戶群體的多樣性和個性化需求促進了車體結構的多樣性。而多樣化的需求就需要城軌車輛制造企業(yè)在較短的時間內開發(fā)出滿足客戶要求的產品。車體作為城軌車輛的重要承載結構，必須具備極高的安全可靠性，而車體的抗疲勞能力就是安全可靠性的主要體現形式之一。如何在較短的時間內驗證新設計結構的抗疲勞能力成為新產品研發(fā)的關鍵。

仿真分析和試驗驗證是考察車體抗疲勞能力的兩個主要手段，試驗驗證不但可驗證仿真計算模型的準確性，還可將仿真分析時考慮不全面的工藝因素考慮在內。由于地鐵車體生產成本高昂，而同種類型地鐵車體側墻、頂棚以及端墻結構相似，但包含牽枕緩結構在內的車體端部底架結構變化較大，且受力情況復雜。因此本文按照底架撓度一致性原則，并參考EN 12663-1:2010+A1:2014（以下簡稱EN 12663）[2]和VDV 152-2016（以下簡稱VDV 152）[3]標準制定了城軌車體端部底架的疲勞試驗方案。

目前國內外鐵路車輛車體強度標準均規(guī)定的車體應能夠承受的疲勞載荷，但均應用于整車條件下，沒有對車體端部底架的疲勞載荷進行規(guī)定，但國內外已經有很多學者針對車體的疲勞問題開展了大量的仿真和試驗研究工作。

錢文學等[4]通過仿真分析和試驗研究確定了底架結構的危險部位和數量，應用樣本信息融合原理得到了基于小子樣的底架結構概率疲勞性能。薛濤[5]按照UIC 615-4標準對鋁合金攪拌摩擦焊端底架進行靜強度和疲勞強度試驗證明了攪拌摩擦焊對于車體關鍵部件的適用性。王杰等[6]采用有限元和動力學仿真相結合的手段，建立高速列車剛柔耦合動力學模型，進而輸出危險部位的應力時間歷程，最后采用雨流循環(huán)計數法和相應的S-N曲線對高速列車車體底架進行疲勞壽命預測研究。王帥麗等[7]基于斷裂力學和有限元方法，結合斷裂參數測試試驗，實現了含缺陷結構件的安全性評定以及給定壽命時的初始裂紋容限。于躍斌等[8]系統(tǒng)總結了鐵路貨車車體疲勞試驗臺的關鍵技術，并以C70E型通用敞車的重車車體疲勞試驗為例，驗證了車體的在線運行狀態(tài)模擬和加速疲勞試驗的適用性和有效性。

Hyun-Kyu Jun等[9]通過建立客車車體的有限元模型，通過垂向載荷試驗比較仿真與試驗時側梁的變形，驗證了仿真模型的可行性。進而采用斷裂力學的方法計算客車底架的臨界裂紋尺寸，并利用地鐵車輛的線路運行試驗測得的載荷譜計算裂紋擴展速率。最終計算了客車車體的剩余壽命。Oomura等[10]以全尺寸不銹鋼車體為研究對象，在地板上施加垂向動態(tài)載荷，在車體枕梁部位施加合理的約束，并通過測試數據的分析與對比，驗證了這種方法的有效性。

1 端部底架疲勞試驗方案的確定

疲勞破壞是機械零部件早期失效的主要形式[11]。據統(tǒng)計，約有80%以上零部件失效是由疲勞引起的。1964年，霍立興[12]解釋了疲勞的概念：“金屬材料在應力或應變的反復作用下所發(fā)生的性能變化稱為疲勞?！敝敝连F在，人們對于疲勞概念的理解仍然建立在上述描述之上。

地鐵車輛承受載荷復雜，車體作為主要承載部位又是大型復雜焊接結構。對于地鐵車體這種焊接結構來說，由于應力集中、焊接缺陷以及焊接殘余應力等影響，其疲勞強度會明顯小于金屬母材[13]。而地鐵端部底架作為轉向架和車體相連接的部位，其承受的載荷也更加大，因此對其疲勞壽命和疲勞試驗方法的研究非常有必要。

通過文獻調研發(fā)現，針對城軌車體的疲勞強度研究主要集中在仿真和試驗上，而試驗手段上主要應用力加載這種形式。車體在實際運行過程中一直處于慣性振動狀態(tài)，這與目前國內普遍采用的疲勞試驗方案邊界條件相差較大。因此本文以某型城軌車體端部底架為研究對象，依托西南交通大學的車體疲勞實驗臺（圖2）的幫助，采用慣性加載為試驗手段制定疲勞試驗方案。端部底架三維模型如圖3所示。

圖2 西南交通大學車體疲勞強度試驗臺

圖3 試驗對象

地鐵車輛端部底架疲勞試驗方案采用MTS的液壓站液壓伺服系統(tǒng)、伺服激振控制器和50 t、25 t、10 t、5 t等級的激振器，可以滿足各種靜強度試驗的加載需要，也能滿足疲勞試驗的循環(huán)加載需要。數據采集設備采用DH3821動靜態(tài)應變測試系統(tǒng)。

對于端部底架來說，其主要包括中心銷安裝座、空簧安裝座和車鉤安裝座等區(qū)域，需要對這些區(qū)域進行疲勞試驗[14]。疲勞試驗主要用來驗證車體的使用壽命，估計安全裕量，以及不能被靜強度試驗識別的疲勞點在模擬運行載荷條件下有無發(fā)生裂紋、焊縫開裂的危險[15]。端部底架使用材料的機械性能及抗疲勞性能如表1所示。

表1 端部底架材料力學性能

端部底架結構作為車體的一部分，并不具備整車的支撐條件，因此需要合理的確定載荷與約束條件，使端部底架的受力狀態(tài)與整車條件下相一致。

中車齊齊哈爾交通裝備有限公司通過對C70E通用敞車的全尺寸疲勞試驗驗證了慣性加載疲勞試驗方案的可行性，因此，考慮通過慣性加載的方式來考核城軌車輛端部底架的抗疲勞能力（圖4）。鋁合金端部底架試驗采用車體疲勞試驗臺進行加載。

端部底架的坐標系方向定義如下：X方向為車輛行駛方向，Y方向為橫向方向，Z方向為垂向方向，如圖5所示。

圖5 端部底架坐標系示意圖

垂向施加配重，模擬實車條件下的垂向載荷分布?？諝鈴椈纱瓜蛄νㄟ^六自由度平臺（圖6）進行加載，在端部底架空氣彈簧安裝座位置設置工裝與試驗臺進行連接（圖7），工裝通過兩組十字交叉的滑動軸承釋放橫向和縱向自由度，使得空氣彈簧座位置只傳遞垂向載荷。

圖4端部底架試驗方案

圖6 六自由度平臺

圖7 二系垂向加載

中心銷橫向和縱向力通過六自由度平臺進行動態(tài)加載，在中心銷安裝座位置設置工裝模擬中心銷與車體的連接，根據橫向止擋和牽引拉桿距枕梁下平面的高度設置加力桿與六自由度平臺相連，用來傳遞橫向與縱向載荷，如圖8所示。

圖8 中心銷加載示意圖

車鉤緩沖器縱向力采用液壓作動器加載，端部底架前端通過工裝與另一個六自由度平臺相連，用于平衡車鉤與中心銷的縱向力，試驗方案如圖9所示。

圖9 車鉤力加載工裝

2 疲勞試驗載荷的確定

EN 12663《鐵路應用 鐵道車輛車體結構要求》在跨歐大陸得到了廣泛的應用，世界鐵路其他國家也競相采用和借鑒，作為鐵路車輛結構技術標準的地位和作用在歐洲大陸及世界范圍內日益顯現[16]。

現端部底架的疲勞試驗載荷主要參照EN 12663-2010+A1:2014和VDV 152-2016，由于該試驗對象是車體的局部，而現有標準中給定試驗載荷均是針對整車條件下的試驗載荷和邊界條件，因此需要進行等效處理。

2.1 垂向靜載荷的確定

由于端部底架缺少端墻、側墻和頂棚對剛度的貢獻，因此剛度較低，不能按底架長度將垂向載荷按比例均布在底架上。因此參考韓國Hyun-Kyu Jun等通過底架邊梁撓度驗證模型準確性的方法，確定了通過底架撓度與整車狀態(tài)下一致的原則來確定垂向靜態(tài)載荷的施加方案。將底架分為寬度大致相同的10個條形區(qū)域，每個區(qū)域分配不同的重量，如圖10所示。在每個區(qū)域的邊梁連接處選取測點，測試其位移量，使端部底架邊梁的撓度與整車條件相同。整車條件下的撓曲線和端部底架的撓曲線對比結果如圖11所示。

圖1 齊齊哈爾車體疲勞試驗臺

圖10 底架配重區(qū)域分布

圖11 撓曲線對比

2.2 垂向動載荷的確定

EN 12663標準中規(guī)定了垂向疲勞載荷為±0.15g，由于試驗采用慣性加載，因此在枕梁端部布置加速度傳感器，通過試驗臺施加位移激勵，使得底架垂向的振動幅值達到0.15g的目標值。

2.3 橫向載荷的確定

端部底架的橫向載荷也采用慣性加載，城軌車輛在實際運營中，橫向力分別由空氣彈簧和中心銷來承擔。橫向載荷同樣采用EN 12663標準，該標準規(guī)定了橫向疲勞載荷為±0.15g。由于城軌車輛在運營時經常處于超員狀態(tài)，因此疲勞載荷確定時以車體處于超員狀態(tài)為基準。

根據牛頓第二定律力，有：

式中：F為物體受到的力，N；m為物體質量，kg；a為物體加速度，m/s2。

當車體處于超員狀態(tài)時，城軌車輛重量為47 t，即m＝47 000 kg，車輛橫向加速度a＝0.15g（g＝9.81 m/s2）。每節(jié)車輛的兩個轉向架各配備一個枕梁，共同承載整車的車輛橫向慣性力。將數據代入式（1），得每個枕梁承受的車輛橫向慣性力Fy= 34.6kN 。

該城軌車輛每個轉向架的空氣彈簧橫向力規(guī)定為7 kN，而車輛橫向慣性力由空氣彈簧和中心銷共同承載，因此，可得每個中心銷橫向荷為PFy= 27.6kN 。

但由于被試件不是整車，通過加速度測試得到車體枕梁位置的加速度為0.15g時，PFy達不到27.6 kN，需通過適當放大橫向加速度，使PFy達到27.6 kN。

2.4 中心銷縱向載荷的確定

中心銷縱向載荷采用力加載方式進行試驗，EN 12663標準上規(guī)定的試驗載荷為±0.15g，并規(guī)定如沒有其他數據的支撐，作用次數取1000萬次，但VDV 152建議的載荷大小與EN 12663相同，但作用次數為200萬次，由于VDV 152建議是專門針對地鐵和低地板車輛的，因此中心銷縱向載荷按VDV 152選取。

每節(jié)城軌車輛的兩個轉向架各配備一個中心銷，兩個中心銷縱向載荷與車輛縱向慣性力相抵，大小相等，方向相反。當車體處于超員狀態(tài)時，兩個中心銷共同承載整個車輛的縱向慣性力，將數據代入式（1）得每個中心銷縱向載荷為Fx= 34.6kN 。

由于垂向與橫向載荷的作用次數均為1 000萬次，為了協(xié)調加載，按等損傷原則，S-N曲線的指數取4，將載荷折算為1 000萬次，則Fx為23 kN。

2.5 車鉤縱向載荷的確定

EN 12663中對于車鉤載荷的大小沒有規(guī)定，因此參照VDV 152，主要依據牽引不同步時產生的載荷，對于A型地鐵車輛，采用4動2拖編組，拖車為首尾車，每節(jié)車輛質量為m＝47 000 kg。按啟動加速度1 m/s2進行計算，將數據代入式（1）得，啟動時每節(jié)動車的牽引力Fq= 47kN 。

最大車鉤力發(fā)生在拖車和動車連接的車鉤位置，兩個車鉤承受著四節(jié)動車的牽引力，因此可得：

式中：Fxmax為最大車鉤力，kN。

計算得：Fxmax=94kN

根據VDV 152建議，車鉤力的動態(tài)幅值取最大車鉤力的0.25倍，作用200萬次，即車鉤力的動態(tài)幅值為23.5 kN。

同樣將該載荷幅值換算成作用1 000萬次，且S-N曲線的指數取4，則動態(tài)幅值為16 kN。

3 疲勞試驗載荷譜及波形圖

大小、方向隨時間作周期性或不規(guī)則的改變的載荷（或應力）稱之為疲勞載荷（或疲勞應力）。結構或構件在使用過程中往往承受著疲勞載荷，與之對應的應力是疲勞載荷，通常將載荷和應力隨時間變化的歷程分別稱之為載荷譜或應力譜[18]。

如前節(jié)所述，在確定了疲勞試驗載荷之后，可得到城軌車輛端部底架疲勞試驗載荷譜，如表2所示。

表2 城軌車輛端部底架疲勞試驗載荷譜

本次疲勞試驗載荷循環(huán)次數均為1000萬次，分為三個階段。前600萬次為第一個階段，600～800萬次為第二階段，800～1000萬次為第三階段，在第二和第三階段，動態(tài)載荷分別為第一階段的1.2倍和1.4倍。加載波形為正弦加載。試驗時中心銷位置的縱向載荷相位與車鉤縱向載荷按最不利相位進行組合。

根據車輛過左右S曲線的情況，確定端部底架疲勞試驗疲勞載荷波形圖如圖12所示。

圖12 端部底架疲勞試驗疲勞載荷波形圖

按照疲勞試驗載荷譜及疲勞載荷波形圖對城軌車輛端部底架進行疲勞試驗，驗證其疲勞強度是否滿足標準要求。端部底架疲勞強度的驗收準則為：對端部底架施加動態(tài)載荷，疲勞試驗第一階段的600萬次不得出現裂紋，第二階段的200萬次不得出現裂紋，第三階段的200萬次不得出現裂紋。

4 試驗結果與結論

根據確定的慣性加載方案進行疲勞試驗，分別在試驗進行到400萬次、600萬次、800萬次以及1000萬次后進行滲透探傷檢查，發(fā)現該型端部底架關鍵部位均未發(fā)現疲勞裂紋，滿足相關標準的要求，驗證了該型端部底架具有足夠的抗疲勞能力。

本文根據城軌車輛端部底架的結構和受力特征確定了端部底架疲勞試驗方案，并根據底架撓度一致性原則確定了端部底架疲勞試驗配重方案。同時，參考EN 12663標準和VDV 152建議，編制了城軌車輛端部底架的疲勞試驗載荷譜。最后通過按照疲勞試驗載荷譜及疲勞載荷波形圖進行的疲勞試驗，驗證了該型城軌車輛端部底架的疲勞強度滿足相關標準要求。