地鐵車輛輪對安全吊的振動疲勞特性探討

章明耀

摘要：本文主要圍繞地鐵車輛輪對安全吊的振動疲勞特性展開研究，通過模態分析和模態仿真實驗，探究影響安全吊正常運行幅值的因素，結合有限元計算等進行進一步驗證分析，探究延長安全吊使用壽命的具體措施。

關鍵詞：安全吊;振動疲勞;模態分析;疲勞壽命

1.模態分析

模態分析可以幫助實驗人員從多角度開展模態仿真計算和模態試驗，繼而獲得相關數據。實驗選擇了固定形式的安全吊開展工作，在軸箱上方緊固螺栓后，當車輛起吊時，安全吊會與構架鐵合在一起，實現輪對和架構的正常連接，實現對輪對的起吊。此時，安全吊相當于一個懸臂結構，受到振動等當面的影響，安全吊在應用過程中可能會出現開裂問題，這也是在車輛起吊過程中經常會出現的問題之一。下圖為模態仿真和實驗過程中得到的不同數據。

2.線路實驗

2.1實驗準備

為了獲得正常工作狀態下的安全吊應力水平和振動情況等數據，實驗人員選擇對車輛進行線路實驗，結合其不同階段的運行狀態，測量安全吊的橫向加速度和軸箱體動應力響應等數據。

2.2數據分析

通過不同階段的車輛運行數據可以發現，軸向的垂向振動和橫向振動都比較穩定，波動控制在一定范圍內。而安全吊則會隨著車輛運行出現波動較大的振動，到最后振動幅值會在短時間內達到高峰。通過比較車輛途經的路段可以判斷，在振動幅值較大的路段可能會存在鋼軌波磨等問題，該類問題的存在會導致安全吊的部分區域產生共振，通過傅里葉變換對波磨的站間數據進行分析可以發現，存在不隨速度變化而變化的固定能量帶，結合其影響因素可以判斷這與一階彎曲模態被激發有關，而該狀態會導致安全吊脫離原有的振動頻率，出現較大的振動，影響車輛運行穩定性。通過將軸箱到安全吊的振動時域進行對比可以發現，安全吊的垂向加速度幅值一直穩定在與軸箱相對合理的范圍內，沒有出現明顯變化。而將橫向振動幅值對比時可以發現，安全吊的振動幅值是軸箱的三到三點五倍，該時域的一階橫向彎曲模態被激發引起了安全吊橫向加速度的放大性變化，其主頻也發生了不同程度的變化。

2.3疲勞壽命對比分析

ISO將疲勞定義為受到應力及應變反復作用的材料發生不同程度的性能變化，主要體現在開裂和破壞等方面。而破壞產生的機理是金屬材料在循環形變過程中會出現不可逆的疲勞裂紋并擴展，導致其結構形成永久性的損傷。在實際工程中，相關人員會結合連續介質力學方法來對應力、應變和環境因素等對疲勞壽命造成的影響進行分析。疲勞壽命是疲勞裂紋循環數和裂紋的亞臨界被擴展到最后尺寸的循環數總和。根據其定義，可以通過損傷容限法和總壽命法兩種方法對其進行計算，結合具體情況選擇應當使用的方法。

在實驗開展過程中，實驗人員可以結合實際測得的線路動應力數據總壽命對安全吊結構的疲勞壽命進行評估，繼而得到在現有線路條件下，不同測點位置的安全吊的服役壽命。實驗過程中會得到大量原始數據，但是該類數據會受到干擾噪聲的影響，不利于后續計算等工作合理開展。為此，實驗人員需要對數據進行零漂修正和共模噪聲濾波等處理，逐層對噪聲進行過濾，繼而得到相對清晰準確的實驗數據。通常實驗開展過程中，主要是利用材料的常幅應力應變循環數據來開展其疲勞壽命計算工作。實驗人員使用載荷譜來獲得離散分級的常幅應力應變譜，實現對結構隨機應力應變時間歷程的合理轉換，可以推動后續實驗計算工作合理開展。而這種轉換方法是在傳統雨流計數法的基礎上進行的，因而在后續討論過程中也主要應用該方法來對測得的動應力數據進行分級計算。結合結構疲勞定義可以發現，結構疲勞實際上是材料所受的損傷逐漸積累的過程。一般在鐵路行業中，車輛的使用時間和使用里程是壽命的主要表征，在使用頻次的幫助下對這兩類數據進行轉換，可以測得安全吊損傷量的準確數據。實驗和實際工作過程中，相關單位會在《FKM Analytical Strength Assessment 5th_Edition》這一壽命評估參考標準的幫助下開展后續工作。該標準對安全吊材料牌號和對應牌號的抗拉強度參數以及屈服強度參數等進行了明確的規定，工作人員可以結合安全吊使用環境對其安全系數進行確定，一般為1.35。實驗人員對地鐵往返測試數據進行評估之后，在有限元計算的幫助下，可以得到不同應力位置的變化數據，其使用評估壽命結果如下。

3.實驗結論

通過對某地鐵安全吊輪進行模態仿真和模態實驗測試，經過有限元計算驗證后發現，安全吊的一階橫向彎曲模態為345Hz，二階固有頻率是991Hz。而將軸箱和安全吊的振動數據進行對比可以發現，車站之間可能存在軌道波磨問題，影響安全吊的使用壽命。而經過分析可以發現，安全吊在受到軌道波磨段的影響后發生共振，導致其原有的振動幅值發生變化，繼而會出現不同程度的破壞，這是其破壞的主要原因。在共振作用的影響下，安全吊的橫向振動幅度明顯擴大，導致其動應力發生明顯變化，這直接導致安全吊出現損傷破壞問題。通過對軌道波磨路段的數據進行分析計算可以發現，安全吊在不受波磨損耗影響的情況下，其疲勞壽命大大延長，因而相關單位應當安排專業人員對軌道波磨路段進行打磨，同時申請在壽命管理中加入安全吊壽命管理項目，可以有效延長安全吊的使用壽命。

4.小結

地鐵車輛輪對安全吊的振動疲勞一直存在，而軌道波磨路段引起的振動會導致安全吊振動狀態發生劇烈變化，導致安全吊的使用壽命縮短。地鐵工作人員和維修人員等必須加強對安全吊管理工作的重視，及時處理軌道波磨等問題，延長安全吊的使用壽命。

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