基于線路實測載荷譜的轉(zhuǎn)向架部件振動疲勞分析

（1．中車長春軌道客車股份有限公司工程實驗室，130062，長春；2．中車長春軌道客車股份有限公司檢修研發(fā)部，130062，長春∥第一作者，工程師）

基于線路實測載荷譜的轉(zhuǎn)向架部件振動疲勞分析

張春玉1程亞軍1邵俊捷2

（1．中車長春軌道客車股份有限公司工程實驗室，130062，長春；2．中車長春軌道客車股份有限公司檢修研發(fā)部，130062，長春∥第一作者，工程師）

為分析軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架零部件疲勞斷裂的原因，基于某地鐵車輛線路試驗數(shù)據(jù)，以轉(zhuǎn)向架實測譜為輸入激勵，使用頻域疲勞分析方法對部件進(jìn)行振動疲勞壽命分析，同時也采用實測應(yīng)力進(jìn)行壽命分析，并與頻域疲勞分析方法做對比。其中，分析了正常與異常載荷譜對部件疲勞的影響，探討轉(zhuǎn)向架零部件結(jié)構(gòu)疲勞失效原因，分析結(jié)果可供相關(guān)設(shè)計與優(yōu)化參考。

轉(zhuǎn)向架；疲勞壽命分析；線路試驗

First－author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

軌道交通車輛上的非承載件，尤其是安裝在轉(zhuǎn)向架上的非承載件，在其自重作用下，當(dāng)共振時會引起部件產(chǎn)生大的應(yīng)力，導(dǎo)致疲勞破壞。構(gòu)架與車軸的頻率范圍較寬，安裝在上面的部件，因其固有振動頻率幾乎不可能避開構(gòu)架和車軸的振動激勵而極易產(chǎn)生共振。如果部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，將會發(fā)生疲勞斷裂問題。據(jù)統(tǒng)計，安裝在軸箱上的吊座以及安裝在構(gòu)架上的天線梁等部件，在車輛運(yùn)營過程中均出現(xiàn)過疲勞甚至斷裂問題，但對這類問題的研究目前還不夠深入，解決問題的對策有限［1－2］。

在隨機(jī)振動環(huán)境中，部件的焊縫區(qū)域易因疲勞而出現(xiàn)斷裂、焊點脫落和開裂等問題，如發(fā)生在關(guān)鍵部位會造成嚴(yán)重后果。目前，在設(shè)備的設(shè)計階段普遍對隨機(jī)振動問題考慮不足［3－4］，無法形成最優(yōu)方案，因此，有必要在設(shè)計方案階段了解產(chǎn)品在隨機(jī)載荷作用下結(jié)構(gòu)和部件的疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命，以實現(xiàn)產(chǎn)品精細(xì)化設(shè)計。

1 振動疲勞仿真分析

目前，疲勞損傷分析主要有時域分析和頻域分析［5］。時域分析是指系統(tǒng)在施加輸入信號后，研究系統(tǒng)的輸出量（如加速度信號）隨時間的變化規(guī)律。對信號進(jìn)行時域分析時，有些信號的時域信號相同，但不表示信號就完全相同，因為信號不僅與時間有關(guān)，也與頻率、相位等信息有關(guān)，因此，需要進(jìn)一步分析信號的頻域響應(yīng)，在頻域中對信號進(jìn)行描述。對于多自由度系統(tǒng)的軌道交通客運(yùn)車輛設(shè)備結(jié)構(gòu)，其響應(yīng)加速度均方根值和隨機(jī)振動響應(yīng)譜的求解過程比單自由度復(fù)雜，需要采用有限元法對設(shè)備各部位的頻域進(jìn)行求解。

隨機(jī)振動疲勞分析的核心是獲取結(jié)構(gòu)的應(yīng)力功率譜，再通過應(yīng)力功率譜構(gòu)建結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化分布函數(shù)，利用線性疲勞損傷準(zhǔn)則獲得疲勞壽命［6］。線性疲勞損傷準(zhǔn)則基于Miner假設(shè)，一般來說，當(dāng)應(yīng)力功率譜形狀相差不大時，應(yīng)力均方根越大，疲勞壽命越短。

現(xiàn)以安裝在車輛轉(zhuǎn)向架上的安全吊為例進(jìn)行振動疲勞仿真分析。

根據(jù)有限元模態(tài)計算結(jié)果可知，安全吊一階固有頻率為371Hz，振型為橫向彎曲，如圖1a）所示；二階主頻為1 065Hz，振型為扭轉(zhuǎn)，如圖1b）所示。

圖1 安全吊有限元模態(tài)分析結(jié)果

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，實測原始數(shù)據(jù)（垂向、橫向和縱向）經(jīng)前處理操作后，三角級數(shù)或傅里葉變換為頻域激勵譜，將激勵譜施加在零部件激勵位置，采用模態(tài)疊加法獲得分析頻率范圍內(nèi)的應(yīng)力均方根值，并得到結(jié)構(gòu)各點在不同頻率下的動態(tài)響應(yīng)特性；選取材料對應(yīng)的S－N（應(yīng)力－循環(huán)次數(shù)）曲線完成壽命評估。分析可知，累計損傷如圖2a）所示，損傷最大位置為螺栓孔周圍，損傷最大值為1．878×10－4，即車輛線路全程20．65km范圍內(nèi)損傷值為1．878 ×10－4，車輛往返次數(shù)為5 324次；去掉鋼軌波磨區(qū)段的振動疲勞累積損傷（見圖2b）），損傷最大位置為螺栓孔周圍，最大值為8．624×10－9，即車輛線路全程20．65km范圍內(nèi)損傷值為8．624×10－9，車輛往返次數(shù)為1．16×108次。

圖2 安全吊損傷云圖

2 實測數(shù)據(jù)疲勞分析

采用HBM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測得的斷裂安全吊及完好安全吊的模態(tài)測試結(jié)果如圖3所示，鋼軌波磨區(qū)段吊耳加速度時域、頻域傳遞關(guān)系如圖4、圖5所示。實測原始數(shù)據(jù)包含大量的干擾噪聲，經(jīng)過零漂修正、尖峰濾波、50Hz工頻噪聲濾波及共模噪聲濾波等數(shù)據(jù)前處理操作后，使用雨流計數(shù)，結(jié)合部件的S－N曲線和Miner損傷法則，得到時域疲勞累積損傷值為1．75×10－4，即車輛可往返次數(shù)為5 714次；去掉鋼軌波磨區(qū)段數(shù)據(jù)后，累積損傷值為1．02× 10－8，即車輛可往返次數(shù)為9．8×109次。

圖3 安全吊模態(tài)測試結(jié)果

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，軸箱加速度沒有存在特別大的區(qū)間，而安全吊橫向加速度出現(xiàn)兩個區(qū)間異常，初步推測在這兩個區(qū)間部分線路存在鋼軌波浪型磨耗，車輛通過時，軸箱加速度頻域與安全吊固有頻率產(chǎn)生共振所致。

圖4 鋼軌波磨區(qū)段安全吊橫向加速度時域傳遞關(guān)系

圖5 鋼軌波磨區(qū)段安全吊加速度頻域傳遞關(guān)系

3 實測試驗與仿真對比分析

安全吊的模態(tài)仿真分析結(jié)果與實測試驗結(jié)果基本一致，模態(tài)仿真分析得到的振動疲勞損傷與實測數(shù)據(jù)疲勞損傷的數(shù)值基本一致。安全吊斷裂的主要原因是線路出現(xiàn)鋼軌波形磨耗，波磨頻率與安全吊一階模態(tài)發(fā)生共振，振動被放大多倍，導(dǎo)致安全吊應(yīng)力偏大，發(fā)生疲勞斷裂。去掉鋼軌波磨振動響應(yīng)后，安全吊疲勞壽命可大幅增加。

4 結(jié)語

在軌道交通客運(yùn)車輛運(yùn)行過程中，線路運(yùn)營條件直接影響結(jié)構(gòu)件振動的疲勞壽命，因此，在產(chǎn)品設(shè)計過程中，安裝在軸上的結(jié)構(gòu)件需保證具有良好的剛度值，并要提高結(jié)構(gòu)、模態(tài)及材料的阻尼值。隨機(jī)振動疲勞分析方法可以反映結(jié)構(gòu)件疲勞振動的真實運(yùn)行狀況，對產(chǎn)品的設(shè)計、校核驗證具有重要的參考作用。

［1］ 沈彩瑜．鐵道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞強(qiáng)度研究［D］．成都：西南交通大學(xué)，2014．

［2］ 姚起杭．工程結(jié)構(gòu)的振動疲勞問題［J］．應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2006，23（1）：12．

［3］ 苗新法．基于譜分布估計和損傷一致性理論的動車組載荷譜校準(zhǔn)方法研究［J］．鐵道學(xué)報，2014，36（8）：7．

［4］ 夏天翔．金屬材料多軸疲勞累積損傷理論研究進(jìn)展［J］．機(jī)械強(qiáng)度，2014，36（4）：605．

［5］ 張煒．基于頻率分析方法的隨機(jī)振動疲勞損傷研究［J］．航空精密制造技術(shù)，2014，50（5）：18．

［6］ 武瀅．隨機(jī)載荷作用下疲勞壽命分布預(yù)測模型［J］．工程設(shè)計學(xué)報，2010，17（6）：435．

Vibration Fatigue Analysis of Bogie Components Based on Routine Test Load Spectrum

ZHANG Chunyu，CHENG Yajun，SHAO Junjie

The operating test data collected from one metro line is used to analyse the reasons that caused the fatigue fracture of bogie components．The measured spectra data of the bogie are taken as the input parameters，and the frequency analysis method is used to analyze the vibration fatigue．At the same time，the measured stress data are also used to carry on fatigue life analysis，which is compared with the frequency fatigue analysis method．Finally，the influences of normal and abnormal load spectra on the component fatigue are analyzed，the reasons that caused the fatigue fracture of bogie components are discussed．This research provides references for the design and optimization of new bogie structures．

bogie；fatigue life analysis；routine test

U270．33

10．16037／j．1007－869x．2017．02．010

2016－09－01）