焊接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架線路載荷的特征與應(yīng)用分析

劉 鵬 趙 凱

沈陽地鐵集團(tuán)有限公司運營分公司

1、研究意義

隨著鐵路運輸?shù)陌l(fā)展，軌道車輛的運用條件(速度、載重等)發(fā)生了改變，車輛自身運行狀況必然也會隨之變化。然而，無論高速鐵路還是城市軌道交通，安全運營始終是車輛運行的首要問題，其中車輛結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度問題顯得尤為重要。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是軌道車輛走行部中的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性設(shè)計及試驗評定是車輛能夠安全運營的重要保證。大多客運轉(zhuǎn)向架采用H型箱形梁焊接式構(gòu)架，從是否具備動力上可分為動車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架，其中動車轉(zhuǎn)向架提供車輛運行所需動力，結(jié)構(gòu)和受載情況更為復(fù)雜。對車輛結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度問題的研究通常從結(jié)構(gòu)所受的載荷出發(fā)，以載荷為依據(jù)，進(jìn)一步確定載荷作用下的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度。車輛運行時構(gòu)架的載荷數(shù)目較多并都具有隨機(jī)性，這些載荷禍合作用在一起，共同對構(gòu)架的疲勞損傷產(chǎn)生影響。構(gòu)架載荷是分析構(gòu)架疲勞強(qiáng)度及可靠性問題的基礎(chǔ)，并可以由載荷推斷出構(gòu)架在全壽命周期內(nèi)的損傷特性。

隨著近幾年高速鐵路的不斷提速、城市軌道交通載客量的不斷增大，列車的運行狀況較以前己有較大改變，車輛的品種也逐漸增多，同時線路條件也可能隨運營時間發(fā)生變化，從而導(dǎo)致構(gòu)架載荷發(fā)生變化。因此，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在應(yīng)用時可能會由于疲勞強(qiáng)度不足而存在安全隱患。所以，對焊接構(gòu)架真實線路載荷的特征研究非常有必要。

2、焊接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架線路載荷分析

2.1 動態(tài)載荷識別方法

動態(tài)載荷識別是動力學(xué)的兩大反問題之一，它是在己知系統(tǒng)特征和系統(tǒng)響應(yīng)的條件下，識別系統(tǒng)的外部載荷。一般情況下，我們通過測量系統(tǒng)的位移、加速度、速度等響應(yīng)信號，利用已知的系統(tǒng)特性可以實現(xiàn)系統(tǒng)的載荷識別。

動態(tài)載荷識別從理論基礎(chǔ)及識別特點上看，動態(tài)載荷識別可分為頻域法和時域法。頻域法的特點是將系統(tǒng)的動力學(xué)數(shù)理方程轉(zhuǎn)化至頻域，根據(jù)“載荷·響應(yīng)”在頻域內(nèi)的傳遞函數(shù)矩陣來識別動態(tài)載荷，通過傅立葉逆變換實現(xiàn)信號的時頻域轉(zhuǎn)換。而時域法的特點是建立系統(tǒng)輸入與輸出之間的復(fù)雜卷積關(guān)系，在獲取結(jié)構(gòu)響應(yīng)的情況下，利用這種卷積關(guān)系直接獲得結(jié)構(gòu)的載荷信號。此外，還有學(xué)者發(fā)展了基于其他理論的一些載荷識別方法。

2.2 焊接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架載荷識別方法

在動態(tài)載荷識別研究領(lǐng)域己經(jīng)形成了大量的理論方法，這些方法具備鮮明的優(yōu)缺點，一般都有各自的應(yīng)用領(lǐng)域，針對某些問題時可能是卓有成效的，但在某些大型工程結(jié)構(gòu)載荷識別問題上(轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的載荷識別正屬于這類情況，仍然存在較大的局限，主要的局限體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)最適合載荷識別的測試部位無法安裝測試傳感器；

2)識別結(jié)構(gòu)自身屬性的試驗邊界條件(如模態(tài)識別，等)無法與實際邊界條件一致；

3)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，同時結(jié)構(gòu)上載荷的藕合程度過高，使載荷在解禍識別過程中產(chǎn)生較大誤差；

4)需要識別的構(gòu)架載荷持續(xù)時間很長，進(jìn)行相關(guān)載荷識別積分運算時，耗時巨大、結(jié)果易發(fā)散，導(dǎo)致識別方法不可實現(xiàn)；

5)沒有足夠大功率的激振器，對復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)的“載荷一響應(yīng)”傳遞關(guān)系進(jìn)行有效的動態(tài)標(biāo)定。

2.3 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評估方法

2.3.1 名義應(yīng)力法。名義應(yīng)力是結(jié)構(gòu)所受載荷除以所關(guān)注截面面積得到的應(yīng)力值，也就是所關(guān)注面積上的平均應(yīng)力值。將名義應(yīng)力作為設(shè)計參數(shù)的疲勞 強(qiáng)度計算方法就是名義應(yīng)力法，這也是最早的抗疲勞設(shè)計方法。該方法從材料的S-N曲線出發(fā)，考慮材料變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)后的各種影響系數(shù)(加載類型、表面質(zhì)量、尺寸效應(yīng)、缺口效應(yīng)等)，推出結(jié)構(gòu)的S-N曲線，根據(jù)所得結(jié)構(gòu)S一N曲線進(jìn)行抗疲勞設(shè)計與疲勞強(qiáng)度計算。

2.3.2 局部應(yīng)力應(yīng)變法。局部應(yīng)力應(yīng)變法主要針對低周疲勞的情況，用應(yīng)變壽命曲線代替應(yīng)力壽命曲線，用循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線替代單調(diào)應(yīng)力應(yīng)變曲線。該方法認(rèn)為結(jié)構(gòu)破壞起源于應(yīng)變集中部位，且裂紋萌生前會產(chǎn)生一定的局部塑形變形，局部塑性變形便是疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的前提條件，決定結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的參數(shù)便是應(yīng)變集中處的最大局部應(yīng)變，因此該方法以應(yīng)變集中處的局部應(yīng)力應(yīng)變?yōu)閰?shù)進(jìn)行抗疲勞設(shè)計與計算。

2.3.3 損傷容限法。方法假定結(jié)構(gòu)中存在初始裂紋，然后應(yīng)用斷裂力學(xué)方法估計結(jié)構(gòu)的剩余壽命，并通過試驗進(jìn)行驗證。斷裂力學(xué)所采用的數(shù)學(xué)模型多采用應(yīng)力強(qiáng)度因子或守恒積分等裂紋擴(kuò)張速率公式，來確定交變載荷下主裂紋的擴(kuò)張規(guī)律。根據(jù)所得規(guī)律，確保裂紋在使用期限內(nèi)不會擴(kuò)展到引起結(jié)構(gòu)破壞的程度。

2.3.4 概率疲勞設(shè)計法。該方法也稱為疲勞可靠性設(shè)計方法，是抗疲勞設(shè)計與率統(tǒng)計方法相結(jié)合的成果。首先確定結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力的統(tǒng)計分布與結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的統(tǒng)計分布，然后用干涉模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的可靠性設(shè)計與計算。

總之，轉(zhuǎn)向架焊接型構(gòu)架在實際運行時所受載荷數(shù)量較多，各載荷又禍合在一起共同對結(jié)構(gòu)的疲勞損傷產(chǎn)生影響，不同的車型所采用的構(gòu)架形式也可能大不相同，因此焊接構(gòu)架載荷研究是一個復(fù)雜且困難的研究問題，需要重點加強(qiáng)研究。

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