貨車車體疲勞試驗載荷譜編制方法研究

安中偉，趙方偉

（1 鐵道第三勘察設計院 機車車輛所，天津300142；2 北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京100044）

貨車車體疲勞試驗載荷譜編制方法研究

安中偉1，趙方偉2

（1 鐵道第三勘察設計院 機車車輛所，天津300142；2 北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京100044）

以C70車體為研究對象，實測得到車體載荷數據和疲勞關鍵部位的應力數據。對實測數據用于車體臺架疲勞試驗的載荷譜編制方法進行了研究，提出了利用車體載荷和應力同步響應關系編制疲勞試驗載荷譜的方法。依據損傷等效原則，剔除了對車體損傷無貢獻的小應力循環，簡化濃縮了應力時間歷程。利用載荷和應力測試的同步性，對實測載荷時間歷程進行簡化和濃縮，編制了適用于車體臺架疲勞試驗的載荷譜。結合累積損傷理論，對比分析了濃縮前后車體疲勞損傷，驗證了該方法的可行性和準確性。

貨車車體；疲勞試驗；載荷譜；損傷

近年來，隨著我國經濟的發展，鐵路貨運量大幅增長，鐵路貨車車體結構疲勞斷裂問題日益突出。貨車車體的疲勞可靠性問題是制約貨車裝備技術提升的關鍵因素。目前研究車體疲勞可靠性的主要方法包括仿真計算、線路實測試驗和模擬疲勞試驗［1］。仿真計算方便、快捷、成本低，但只能對疲勞可靠性進行趨勢性分析和驗證。線路試驗可以反映車體的真實工況，但試驗周期長、成本高。模擬疲勞試驗可以用較短的周期、較高的效率來進行試驗。模擬疲勞試驗是以線路實測振動信號作為激勵信號，利用室內疲勞試驗臺對整車進行疲勞加載試驗，真實的再現車體在線路運行時載荷對車體的影響［2］。進行疲勞試驗的關鍵是編制科學、準確的試驗載荷譜。

文獻［3］提出了試驗臺載荷譜編制原則，設定門檻值為12%以消除小載荷的方法。文獻［4］在小載荷壓縮中根據實際提出了18%的門檻值。兩者研究的均為摩托車疲勞試驗臺載荷譜編制，并未驗證小載荷消除前后損傷等效原則。

分析線路實測應力時間歷程，研究小應力循環對貨車車體損傷情況，濃縮應力時間歷程，利用車體載荷與應力的實測同步對應關系，簡化濃縮載荷時間歷程，剔除不產生損傷的載荷時間，編制貨車車體疲勞試驗載荷譜?；谄趽p傷等效原則對該試驗載荷譜編制方法的可行性和準確性進行驗證。

1 線路載荷譜試驗

以通用線70t級敞車為研究對象進行線路實測試驗。通過綜合分析車體有限元靜力計算結果及車體應力集中的復雜焊縫結構特征和運營中車體常出現疲勞裂紋的位置，確定疲勞關鍵部位。測試線路為北京到哈爾濱的鐵路通用線［5］。布置測力車鉤傳感器用來測試車體縱向載荷，心盤傳感器測試車體心盤垂向載荷，測力旁承傳感器測試車體側滾和扭轉載荷。車體底架焊接疲勞關鍵部位布置應變計以測試應力。應變計布置位置如圖1所示。

利用德國IMC數據采集系統測試信號數據，載荷和應力信號完全同步采集是編制疲勞試驗載荷譜的前提。將測試載荷和應力信號數據進行系數轉化、零漂、濾波等預處理獲得干凈無干擾的真實信號［6］。

2 試驗載荷譜編制

2.1 濃縮應力時間歷程

在實際運營條件下，對車體損傷影響較小的載荷占了較大比例。應力是載荷作用在車體上的響應，載荷通過應力來影響結構的疲勞特性。由于測試時間上的同步性，將線路試驗采集的應力時間歷程簡化和濃縮，通過去除無效的應力小循環，可同步的去除對車體結構不產生損傷的無效載荷作用時間段，達到簡化線路測試載荷時間歷程編制車體臺架試驗載荷譜的目的。因此，通過濃縮應力時間歷程來濃縮載荷時間歷程。

試驗中布置的應變計分別是各工況作用下車體應力較大的部位，通過多應力點同時濃縮應力時間歷程，可保留對車體造成損傷的各種載荷，真實的在臺架試驗模擬車體的實際受載形式。

濃縮應力時間歷程首先要確定各應力測點焊接結構的疲勞截止極限ΔσL。依據焊接接頭疲勞評價標準BS EN 1993《鋼結構疲勞設計與評估》標準確定車體焊縫的疲勞截止極限［7］。

圖2為不同焊接接頭形式的S－N曲線，參照實際要評價的接頭形式，選取對應的曲線類型，就可以獲得相應的疲勞截止極限。

名義應力范圍下材料的疲勞強度是由S－N曲線表示的，每條曲線對應一種典型焊接結構。每種焊接結構被指定一個ΔσL值，它代表結構在2×106次應力循環下對應的許用應力范圍。常用的S－N曲線為兩段式延伸疲勞強度曲線。

當NR≤5×106時，m＝3，表達式為

當5×106≤NR≤108時，m＝5，表達式為

式中ΔσD為恒幅載荷疲勞極限。

式中ΔσL為截止疲勞極限。

利用式（3）、式（4）可求得各應力測點的截止疲勞極限。基于安全考慮，車體焊接結構的疲勞截止極限均選取ΔσL＝22.66 MPa，高于該值的應力循環定義為有效的應力循環，否則為無效的應力循環，將其剔除。

利用雨流計數法對應力時間歷程進行循環統計［8］。在雙參數雨流計數法的基礎上，引入時間的概念，構成時間、峰值和谷值3參數雨流計數法。通過3參數計數法統計出任何一個循環的起止時間和應力范圍。

圖3為試驗過程中某應力測點的一段應力時間歷程。

利用3參數雨流計數法對該段應力時間歷程進行統計分析，結果列于表1。

從表1看到每個應力循環峰值和谷值的時刻被有效記錄，根據峰谷值可以計算循環的應力范圍，根據應力范圍與疲勞截止極限的關系，可以判斷應力循環是否有效。

對圖3所示數據段進行濃縮，如圖4所示，陰影部分為剔除的數據。

以每個應力循環的峰值和谷值為中心線，分別向兩側擴展時間Δt（Δt為一個應力循環的平均作用時間），用于保留一個完整的應力循環。各測點的應力循環作用時間大致為0.5 s，選取Δt＝0.5 s。剔除無效循環后的結果如圖5所示。

2.2 濃縮載荷時間歷程

刪除無效的應力循環時間段時，同步刪除對應時間段的載荷數據，編制有效、準確的試驗載荷譜。圖6為車鉤縱向載荷時間歷程濃縮前后對比圖。

線路實測時長約為93 h，數據原始長度為334 800 s。濃縮后時間長度為1 818 s，只保留了原始數據的0.54%左右，各載荷的極值沒有改變，載荷較大的時刻均被有效的保留。

3 載荷譜有效性驗證

3.1 應力時間歷程有效性驗證

濃縮應力時間歷程的方法是刪除不產生損傷的應力循環，依據損傷等效原則，濃縮前后的應力時間歷程產生相同的損傷。

根據圖2所示S－N曲線，依據濃縮前后的應力譜分段計算損傷。

當NR≤5×106時，結合式（1），可得折線第1段損傷Di

當5×106≤NR≤108時，結合式（2），可得折線第2段損傷D′i

最后根據線性累積損傷原則，對應力譜的數據分別按以上過程進行計算，從而得出計算部位的總損傷為

式中nEi為表示第i應力級的循環數；NRi、N′Ri為第i級應力水平下達到疲勞破壞的循環數。

根據疲勞損傷累計理論計算的各測點應力損傷見圖7。從圖7可以看出，各應力測點濃縮前后損傷基本相同，差別最大的2號測點，誤差控制在1.55%以內，符合損傷等效原則，說明濃縮應力時間歷程的方法合理。

3.2 載荷時間歷程有效性驗證

濃縮載荷時間歷程的方法是刪除不產生損傷的無效載荷，驗證濃縮載荷時間的方法合理的依據是濃縮前各分載荷對車體結構產生的損傷保持一致。

載荷譜濃縮前后，對同一應力測點利用式（5）和式（6）進行車鉤、浮沉、扭轉以及側滾載荷譜的分損傷計算，將各載荷造成的損傷累積相加得到該測點總損傷。計算結果如圖8所示。

由圖8可以看出，濃縮前后載荷對車體各應力測點的損傷基本保持一致，測點2差別最大的2號測點，誤差控制在10%以內，在允許的車體設計壽命范圍內，滿足損傷等效原則，說明濃縮載荷時間歷程的方法準確、合理。

對比圖7和圖8可以看出，利用應力譜和載荷譜分別計算的車體損傷基本相同，也進一步驗證了利用濃縮應力時間歷程來編制貨車車體試驗臺載荷譜的方法準確性。

4 結 論

以C70車體為研究對象，線路實測了車體載荷數據和疲勞關鍵部位應力數據。剔除了對損傷無貢獻的應力循環，簡化濃縮了應力時間歷程，利用載荷和應力測試的同步性，濃縮了載荷時間歷程，編制了車體臺架試驗載荷譜，依據累積損傷理論計算了濃縮前后造成的損傷，得到如下結論：

（1）各應力測點濃縮前后損傷基本相同，最大誤差控制在1.55%以內，符合損傷等效原則。

（2）通過對大量數據分析，得出對車體產生損傷的載荷時間只占了整個載荷時長的0.54%左右。實際測試中，對貨車車體造成損傷的循環數占了很小一部分。

（3）濃縮前后載荷對車體各應力測點的損傷基本保持一致，最大誤差控制在10%以內，在允許的車體設計壽命范圍內，滿足損傷等效原則，驗證了依據應力編制試驗臺載荷譜方法的合理性。

［1］ 劉震濤，劉宏瑞，葉 曉，等.發動機連桿拉壓模擬疲勞試驗臺研制［J］.機電工程，2011，28（6）：653-658.

［2］ 張 恒.大秦線2萬噸重載列車車體模擬線路加載疲勞試驗載荷譜研究［D］.北京交通大學，2010.

［3］ 平 安，王德俊.隨機疲勞載荷的處理及載荷譜編制原則［J］.東北大學學報，1994，15（4）：327-331.

［4］ 張迎輝，單麗君，何衛東.摩托車疲勞試驗臺載荷譜編制［J］.大連鐵道學院學報，2004，25（4）：39-42.

［5］ 謝基龍.載重70 t級鐵路貨車通用線路載荷譜試驗大綱［R］.北京交通大學，2012.

［6］ 周素霞，謝基龍，趙方偉，等.基于概率分布函數的動車組車軸應力譜試驗分析［J］.中國鐵道科學，2013，34（2）：95-98.

［7］ BS EN 1993-1-9 Eurocode3：Design of steel structures-Part1-9：Fatigue［S］.

［8］ DOWNING S D，SOCIE D F.Simple rainflow counting algorithms［J］.International Journal of Fatigue，1982，（1）：31-40.

Study on Load Spectrum Compiling Method of Wagon Carbody Fatigue Test

AN Zhongwei1，ZHAO Fangwei2
（1 The Third Railway Survey and Design Institute，Tianjin 300142，China；2 School of Mechanical，Electronic Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

C70 carbody is taken as the research object.The car body load data is obtained by load test as well as the stress data of fatigue critical parts.The method of utilizing the measured data for compiling fatigue test load spectrum is studied，and the way of using relationship of carbody load and stress response for compiling fatigue test load spectrum is put forward.According to the damage equivalent principle，the small stress cycle which has no contribution to carbody damage is cut out，and stress time history is simplified and concentrated.By using synchronicity of load and stress test，load time history is concentrated as well.Combining with the cumulative damage theory，the carbody fatigue damage before and after concentration is analyzed in comparison.The feasibility and accuracy of this method is verified.

wagon carbody；fatigue test；load spectrum；damage

U272.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.13

1008－7842（2014）06－0054－04

7—）男，助理工程師（

2014－05－07）