城市軌道車輛轉向架構架振動疲勞失效影響因素分析

董磊，王懷東，陳卓，殷煒棋，張莉

(中車長春軌道客車股份有限公司 技術中心, 吉林 長春 130062)*

0 引言

隨著城市軌道交通快速發展，運量不斷加大、開行里程不斷增加，開行頻次不斷提高，車輛運用環境變得更加復雜、惡劣，對城軌車輛關鍵部件運用安全提出了更高的要求.構架作為轉向架重要部件之一，承受和傳遞來自車體和輪軌的載荷并為各種懸掛提供支撐，確保其疲勞可靠性對保證列車運用安全具有十分重要的意義.

列車運行過程中，各種外部激擾惡劣化導致列車系統產生強烈振動，表現為列車-軌道系統輪軌相互作用加劇、構架激振失穩等，致使車輛結構載荷加大、構架發生彈性振動等.而載荷增大、發生彈性振動等均會顯著降低轉向架構架疲勞壽命，影響列車運行安全性.

某型城市軌道車輛在投入運營前，對其轉向架構架進行了線路動應力測試和可靠性評估，結果表明該型轉向架構架滿足360萬(30年)公里可靠運用要求.但是在運用4年后，該型動力轉向架構架橫側梁連接部、電機吊座以及齒輪箱吊座等發生多處裂紋.因此，對同一轉向架構架再次進行了線路動應力測試和可靠性評估，結果表明該型構架幾乎所有測試部位的動應力有非常明顯地增大，嚴重影響了該型轉向架構架運用安全性.是什么因素導致該型轉向架構架在運用4年后不滿足疲勞可靠性要求？

事實上，引起軌道車輛產生振動的外界激擾源主要有車輪缺陷、軌道特殊區段激擾、軌道隨機不平順等類型.①車輪缺陷激擾.車輪運用過程中出現的缺陷如車輪扁疤、徑跳、擦傷以及異常磨耗等，將增大輪軌沖擊作用，不僅影響列車運行安全和軌道運用安全，還會加劇車輛結構的疲勞損傷.②軌道特殊區段激擾.車輛通過某些特殊軌道區段如軌縫、道岔、軌道曲線變坡點時，將激起輪軌系統幅值更大、頻率更高的沖擊振動以及車輛系統關鍵部件損傷.③軌道不平順激擾.亦是引起車輛系統發生振動的主要因素，其中軌道高低不平順和方向不平順，是引起輪軌激烈振動和影響運行安全性的主要原因，同時也是引起構架早期疲勞失效的主要因素之一.

輪軌激擾引起車輛系統振動及相關頻率特性已引起廣泛關注[1]，翟婉明[2]對鐵路輪軌隨機振動進行了理論解析，是國內較早涉及輪軌振動頻率的文獻之一.姚起杭[3-4]對工程結構振動疲勞闡明了概念和定義，指出外界激擾的頻率與結構的某一和某幾階共振頻率一致或相接近時，結構將會發生共振，這時一定的激擾將會產生更大的響應，以致更加易于產生破壞.文獻[5-10] 論述了結構振動疲勞對結構壽命的影響，方吉[11]和薛海[12]對鐵道車輛的結構振動疲勞進行了分析研究.上述研究工作基于理論研究，尚未結合線路試驗開展相關研究和驗證.

為此，本文在多次測試、計算和分析的基礎上，擬確定引起該型轉向架構架疲勞損傷的主要因素.該項工作對現場實際運用和維護具有良好的指導意義.

1 構架動應力測試結果

圖1為測試轉向架構架位置示意圖，安裝于該型城軌車輛5車2位端.如前所述，運用四年后的線路測試結果表明，該構架多個部位的動應力都較投入運營初期時有了非常明顯地增長，特別是電機吊座與橫梁連接部，按設計壽命所計算的等效應力增長幅度達到了70%，導致構架不能滿足安全運用及全壽命要求.本次試驗過程中，為判斷構架是否發生了彈性振動，在運營狀態下除測試構架動應力之外，還測試了電機吊座兩側、構架側梁端部和軸箱垂向加速度.

圖1 構架測試部位

圖2給出了電機吊座外立板與橫梁連接部全程動應力波形.由此可見，該測點動應力總體上表現為幅值大和波動頻繁等特點.

圖2 電機吊座與橫梁連接處全程應力波形

為進一步分析其頻率成分，在對其動應力-時間歷程實施傅立葉變換后，得到的頻譜分布如圖3所示.由圖可見，構架所受激擾頻寬較寬、頻率成分復雜，42和51Hz是其非常明顯的振動主頻，振動能量在這兩個頻率有聚集，疑似有明顯的彈性共振現象發生.

圖3 電機吊座外立板與橫梁連接處全程應力頻譜

2 構架彈性共振確認

根據應力信號所表現出的特征，結合相關文獻對共振疲勞的闡述，推測車輛運行中由于外部激擾構架發生了彈性振動.為進一步確認這一現象，這里在建立構架有限元模型基礎上，得到了構架前六階彈性模態，列于表1.由此可見，這里的第二、三階彈性模態與圖3所示的振動頻率為42和51 Hz吻合.下面結合構架固有模態和線路測試信號來確認其是否發生了彈性振動.

表1 構架前6階固有模態

2.1 42 Hz振型確認

由表1可知，理論計算得到構架第二階彈性振動頻率42 Hz，對應的構架變形特點為：兩橫梁同向彎曲、側梁端部斜對稱變形.

實際線路測試動應力和加速度信號在42 Hz帶通處理后表明(圖4)，一、二位橫梁對應部位應變片信號方向相同，構架斜對稱軸頭加速度同向.該信號特征與模態計算結果完全一致，表明該型構架發生了42 Hz彈性共振.

(a) 橫梁上下表面應力反向

(b) 構架端部斜對稱位置加速度反向

2.2 51 Hz振型確認

計算得到構架第三階模態頻率為51 Hz，對應的構架變形特點為：兩橫梁反向彎曲、一位和二位電機反向點頭.實際線路測試對應的傳感器時域信號51 Hz帶通濾波后的特征(圖5)為：一位和二位橫梁對應部位應變片信號方向相反，橫梁上下表面應變片信號反向.傳感器信號與模態計算結果完全一致，由此確認該型構架還發生了51 Hz彈性共振.

由此可見，外部激擾頻率與轉向架構架第二和第三階固有頻率接近或一致，引起該型構架發生了一定程度的彈性共振.發生彈性共振后,極易導致構架產生早期疲勞破壞[3].

(a) 橫梁上下表面應力反向

(b) 一、二位橫梁相同位置應力反向

3 典型輪軌激擾影響分析

3.1 輪對缺陷

依據構架應力特征，推測引起彈性振動激擾與車輪踏面缺陷相關.為進一步確認，線路試驗過程中，測試了轉向架輪對軸箱加速度.

圖6給出了斜對稱位置第6號和第7號軸箱垂向加速度時間歷程.第7號軸箱加速度表明輪軌間存在間歇性沖擊，依據車輛運行速度可以確認該間歇性沖擊來自軌縫沖擊；第6號軸箱加速度除有軌縫沖擊外，在兩軌縫沖擊之間還附加其他周期性沖擊，由此推測第6號軸箱對應的車輪存在徑跳、扁疤或擦傷等缺陷.

圖6 不同輪位軸箱加速度對比(2 s)

經車輛入庫后測試，6號軸箱對應的車輪存在較大徑跳.對該輪對鏇輪后，又進行了一次相同內容的測試. 圖7給出了鏇輪前后第6號軸箱某一線路區段兩次測試的加速度均方根值.由此可見，鏇輪后該軸箱加速度均方根值下降非常明顯.圖8給出了鏇輪后第6號軸箱加速度局部時域圖.由此可見，再次線路試驗獲得的該軸箱加速度信號中已沒有徑跳帶來的沖擊，只剩下軌縫沖擊.

圖8 鏇輪后第6號軸箱加速度局部放大

上述研究結果表明，鏇輪前車輪存在明顯缺陷，引起轉向架構架振動.鏇輪后車輪缺陷帶來的沖擊消失，有效地降低了輪軌激擾和構架動應力.

3.2 軌縫沖擊影響

事實上，引起構架42 Hz和51 Hz彈性振動的激擾，還有來自于軌縫的沖擊.軌縫沖擊時刻，動應力水平明顯大于其他時刻(圖8).圖9給出了軌縫沖擊引起的測點頻譜圖，頻譜成分以42 Hz和51 Hz為主.因此，即使輪對徑跳消除，軌縫沖擊依然是導致構架發生彈性振動的主要原因之一，并引起構架疲勞損傷.

圖9 軌縫沖擊時刻應力頻譜

3.3 軌道不平順影響

軸箱垂向加速度時域信號顯示，部分站間存在較為嚴重的線路不平順(圖10)，導致車輛運行至此區段時輪軌產生了較大沖擊.這些沖擊引起的構架動應力主振頻率仍然是42 Hz和51 Hz，如圖11所示說明較差線路不平順也是導致構架發生彈性振動的主要原因之一.

圖10 線路不平順時軸箱加速度

圖11 線路不平順時動應力FFT

4 結論

本文在理論計算和多次試驗測試基礎上，研究并確認了某型城市軌道車輛轉向架構架早期疲勞失效因素，結果表明：

(1)外界激擾頻率和構架低階固有模態接近和一致后，引起構架發生彈性振動，該彈性振動是構架早期失效的根源；

(2)車輪缺陷引起構架周期性振動，鏇輪后可以消除該型缺陷并有效降低輪軌激擾和構架動應力幅值.

(3)車輪缺陷、軌縫沖擊和線路不平順三種外部激擾為構架發生彈性振動的主要因素，為保證構架安全運用，應當及時鏇修車輪、改善鋼軌接頭并對線路狀態較差區段進行改造，以提高車輛轉向架構架疲勞壽命和乘坐舒適性.