惡劣線路情況下機車關鍵點安全可靠性分析

周凱林，肖緋雄，胡靜濤

（西南交通大學，四川成都610031）

惡劣線路情況下機車關鍵點安全可靠性分析

周凱林，肖緋雄，胡靜濤

（西南交通大學，四川成都610031）

針對在惡劣線路情況下運行的機車，提出了對機車關鍵點進行安全可靠性分析的測試、數據處理和安全運行里程的計算方法，并通過實例分析簡述了該方法的可行性，為日后的安全可靠性分析的研究提供了一定的基礎。

惡劣線路；機車關鍵點；安全可靠性；雨流計數法

隨著我國“一帶一路”政策的實施與推進，在可預見的未來，中國機車出口市場必然向亞洲西部拓展，而亞洲西部由于其地理和歷史原因，其列車線路條件比較惡劣，這也就對出口機車的安全可靠性提出了更高的要求。

通過對以往在惡劣線路條件下運行的機車進行觀察分析發現，其機車關鍵點的損耗與在一般線路條件下運行的機車相比而言有著很大的不同，因此本文旨在簡述一種對惡劣線路情況下機車關鍵點進行安全可靠性分析的方法，從而為相應的出口機車提供安全保障。

1 機車測點布置

本次試驗通過在機車關鍵點布置測試點來進行動應力測試，并對測試數據進行處理，從而對機車部分關鍵點進行安全可靠性分析。

根據以往列車在惡劣線路情況下運行所產生的裂紋分布情況，選取情況較為嚴重的地方進行測點布置。本次試驗共選取了7個測試點，因篇幅限制，本文以1個測試點為例進行說明。

對后端左邊的燃油箱座中間筋板端部進行測試，位置如圖1所示。

圖1 測點1位置

2 數據分析處理

2.1 動應力數據分析處理

本次實驗使用全過程連續采樣記錄，為適應加速度采樣要求，采樣頻率為1 000 Hz，按照TB/L 1335 1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》的建議，將記錄的應變值經100 Hz低通濾波后，按以下方法處理，得到應力值：

（1）單向應變片的測點，其應力σ計算所示：

式中：σ為應力（N/mm2）；E為彈性模量（N/ mm2）；ε為由試驗測量所得的應變值。

（2）0°-45°-90°應變片測點的主應力值和主應力方向見如下公式：

式中：σz1、σz2為主應力（N/mm2）；E為彈性模量（N/mm2）；v為泊松比，一般取v=0.3；ε0為0°方向應變片的應變值；ε45為ε0與方向成45°的應變片的應變值；ε90為ε0與方向成90°的應變片的應變值。

2.2 動應力測試結果與分析

對于單向應變片的測點按式（1）計算得在整個測量過程中的應力——時間歷程，對于0°-45°-90°應變片測點取式（2）中σz1與式（3-3）中σz2兩者絕對值大的值組成應力——時間歷程。

經過數據處理后得到機車的動應力測點在應力——時間歷程中最大應力、最小應力和最大應力幅值，如表1所示。

表1 機車動應力測試結果（N/mm2）

2.3 測點應力譜編制與等效應力幅的確定

2.3.1 測點應力譜編制

動應力測試記錄的測點的應力信號是一個隨時間變化的復雜歷程，為對試驗機車的安全可靠性進行分析，需要將測點的應力——時間歷程進行分析與統計計數，編制成應力譜[1]。

本次試驗研究按照TB/L 1335 1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》的建議采用國際通用的雨流計數法進行應力狀態的循環計數處理，并編制了測點的應力譜，如表2所示。

表2 試驗機車測點1的動應力譜

2.3.2 測點部位安全可靠性分析

對應力測點部位進行安全可靠性分析時，需要確定這些部位的許用疲勞極限值，本研究參考BS 7608-1993《Fatigue design and assessment of steel structures》中的推薦：

對試驗機車車架燃油箱吊座（測點1）按焊縫等級F級進行分析。

按照存活率97.7%的S-N曲線得到在循環數=2×106下：

焊縫等級F級許用疲勞極限值為68.096/2 =34.05 N/mm2.

2.3.3 安全運行里程的計算

為了分析試驗機車的安全可靠性，本次試驗研究采用疲勞累積損傷法則（MINER法則）和S-N曲線，計算與應力測點應力譜造成的損傷等效的應力幅，并利用等效應力幅進行安全可靠性分析，由于焊縫的疲勞壽命涉及到母材、焊接質量、焊接接頭型式、表面加工、殘余應力、機車運用條件和S-N曲線的差異等多種因素的影響，對其分析有較大的離散

式中：L為試驗機車應力測點的安全運行里程；S為焊縫許用疲勞極限值；L1為實測動應力時的運行公里數，本次試驗機車運行公里數為L1=560 km；ni為與各級應力水平對應的應力循環次數，即測點應力譜中各級應力出現次數；σa為各級應力水平對應的幅值，本次試驗采用16級譜；M為應力測點所在部位的焊接接頭S-N曲線方程指數，按照BS 7608-1993《Fatigue design and assessment of steel structures》，焊縫等級為F時取m=3.0；N為取2×106次，即焊接接頭為2×106次S-N曲線。

將上述各符號的有關值代入式（4）中，可計算出測點相應的安全運行里程，如表3所示。性[2]。下面所做的疲勞壽命分析只是代表試驗機車在所試驗的線路上，按照標準外推出來的結果，和實際運用情況可能有所偏差。

參考TB/T 1335 1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》等效應力幅的計算公式得出安全運行里程如下：

表3 試驗機車測點的安全運行里程

3 結束語

本文主要簡述了對在惡劣線路情況下運行的機車的關鍵點進行安全可靠性分析的基本方法和步驟，大致可以歸納為：（1）布置測點；（2）進行試驗，得到動應力測試結果數據；（3）采用雨流計數法處理數據，并編制應力譜；（4）根據測點的應力譜進行安全運行里程的計算。

相比于在一般線路情況下運行的機車而言，在惡劣線路情況下運行的機車的損耗情況更加復雜，本文旨在通過簡述一種機車關鍵點的安全可靠性分析方法，提高我國機車的研發和分析能力，拓寬我國的機車出口市場，進一步促進我國“一帶一路”政策的實施。

[1]文慧東.CRH2動車組轉向架關鍵部位性能趨勢評估[M].北京：北京交通大學，2014：35-40.

[2]王毅，張質文，王少華，等.機車可靠性指標體系及可靠性評估[J].鐵道學報，1996（18）：35-41.

Analysis on Safety and Reliability of Key Points of Locomotive Under Bad Circui

ZHOU Kai-lin，XIAO Fei-xiong，HU Jing-tao
（SouthWest JiaoTong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

Aiming at the locomotive running under the condition of bad circui，this paper presents a method for testing the safety and reliability of the key points of locomotive，the data processing method and the calculating method of safe running mileage，and the feasibility of the method is illustrated by an example.Provides a basis for the analysis of safety and reliability in the future.

bad circuit；the key points of locomotive；safety reliability；rain-flow counting method

U284.95

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0169-02

2017-02-09

周凱林（1993－），男，山東威海人，在讀碩士研究生，交通運輸工程專業；肖緋雄（1963－），男，四川成都人，碩士，副教授，主要研究機車車輛強度及機車車輛測控技術；胡靜濤（1993－），男，河南信陽人，在讀碩士研究生，機車車輛專業。