地鐵車輛轉向架構架疲勞可靠性預測研究

丁俊

摘要：本文運用雨流計數法對地鐵車輛轉向構架的疲勞可靠性進行預測研究，首先對于所需要的相關數據進行實測，以此為基礎展開一系列的分析研究，其次想要得到99.9%存活概率下的P-S-N曲線，需要的數據為研究材料在50%和95%存活概率的P-S-N曲線，由此推演出一條可以求得任意存活概率的相應曲線，進而得到目標存活概率的相應曲線。

關鍵詞：地鐵車輛;轉向架;動應力;可靠度;疲勞壽命;雨流計數法

雨流計數法在本次預測性研究中起到十分重要的作用，在進行必要實際數據測量之后，雨流計數法可以對數據進行最為妥當的統計處理，即得到理想的二維應力譜，為應用Miner線性損傷理論進行相應指標評估做好基礎準備。必須要進行測量的實際數據具體包括轉向構架中承擔最主要的受力點及其在結構中承擔的受力角色，每一個測量點的應力范圍大小，而雨流計數法的所使用的數據則是所有測量的應力點中應力較大的部分，當然已知材料的P-S-N曲線也是必要的。

考慮到可供參考的已知材料的P-S-N曲線大多只有50%和95%存活概率的數據，針對實際研究中某些關鍵性零件需要99%及以上存活概率的數據需求，我們需要先進行一步推算，即依據已知存活概率曲線，得到任意性P-S-N曲線，這種曲線可以求得任意存活概率下的曲線模式，進而完成對于目標地鐵車輛構架的疲勞可靠性研究。

1 構架動應力測試過程及數據處理

1.1 構架動應力測試

為了得到充足的實際測量數據，首先應該利用特定的方法對目標應力點進行篩選，例如低通濾波法尋找構架上值得測量的目標點，建議選用二階Butterworth濾波器，將截止頻率設定到100赫茲即可，如此我們就可以得到受力較大或者受力較為集中，及疲勞性損傷容易出現的受力目標點，考慮到橋梁結構的特征對稱性，目標受力點的測量區域選定在一側即可，主要針對經常出現疲勞性裂痕以及受力特征難以分析的區域，對于面積較小但是作用很大的承接性結構也要重點分析[1]。

按照上述步驟進行測量應力點的篩選之后，目標區域主要分為以下幾類：側梁下蓋板與橫梁、齒輪箱以及軸箱彈簧座的連接位置;側梁下蓋板本身靠近齒輪箱的彎曲部位;橫梁與電機座連接處和自身圓弧彎曲部位。

1.2 應力的疲勞評估點選擇

在選定需要測量的受力點之后，我們需要進行一步的篩選，找出對于疲勞性評估有參考價值的應力點，篩選過程中需要注意的指標為應力點的凈應力和動應力。兩個指標都很高的測量點以及其中任意一個指標較高的測量點都應該納入選擇范圍，當然對于存在與相同部位的應力點只選擇一個進行疲勞評估即可。

2 疲勞壽命評估

2.1 平均應力的修正

得到所需要的基礎測量數據之后，我們應用雨流計數法對其進行統計學處理以及進一步分析，得到受力范圍以及受力平均值兩個重要指標，在本研究中，針對疲勞性問題的修正方法普遍建議使用Goodman曲線，這樣我們即可以得到當受力的平均值為零是的應力循環。修正結果如下所示。

2.2 材料的疲勞特性

我們需要確定研究材料的疲勞特性的種類，通常意義上講，對于不同材料，我們可以從大周期和小周期兩個方面來研究疲勞循環特征，這主要和材料本身性質有關，本研究中對于軌道車輛的重要零件的疲勞特性進行探討，這類材料的疲勞循環周期普遍較長，因此需要的研究模型則是高周期疲勞循環對應的S-N曲線，這類模型通常可以用實驗來得到，當然測量環境條件有限時，通過對于材料必要的性能測量值對其進行估計的方法也很常見。

本研究使用的是16Mn鋼材料的S-N曲線，同時再根據已知的材料的存活概率分別為50%和95%的Goodman曲線和P-S-N曲線求得所需要的材料能承受的最大疲勞值，從而得出所需要的在99.9%存活概率下的最大疲勞承受值。

2.3 疲勞累計損傷

在進行疲勞損傷的計算時，我們應該考慮一段時間內損傷的積累量，當我們確定了研究材料的疲勞循環之后，并不意味著所得疲勞極限值就此固定，這個極限是會根據一段時間內實際承重大小及頻率進行一定范圍內的波動，這種累積性的疲勞損傷通常使用Palmgren-Miner線性疲勞累積損傷理論進行計算和處理，一般來說，可以用下面的公式進行一個循環周期內所累積起來的疲勞值計算。

3結語

轉向架構架是列車關鍵承載部位，在車輛走行裝置中發揮著舉足輕重的作用，須對其進行疲勞強度評估和可靠性設計，而構架所承受的載荷是進行疲勞強度評估的基礎[2]。本文研究目的為通過實際測量數據推演出地鐵車輛轉向架構架疲勞可靠性，主體方法為雨流計數法，所需要的理論依據和數據基礎分別為疲勞累積損傷理論和充足且必要的一一對應的構架應力點的動應力和時間以及已知材料的P-S-N曲線，最終得到了較為可靠的確定地鐵車輛轉向構架疲勞極限值的測定方案。

參考文獻：

[1]王斌杰 孫守光 王曦 張立 董磊 姜朝勇.地鐵轉向架構架運用載荷與疲勞損傷特征研究[J].鐵道學報，2019，（6）：33.

[2]張志鵬.時速400公里動車組轉向架構架載荷譜的研究[D]. 北京交通大學2018，（9）：139-141.

（作者單位：蘇州市軌道交通集團有限公司運營分公司）