高速動車組設備艙動應力試驗研究

夏東偉，于慶斌，曲涵笑

(1.中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130062;2.大連交通大學電氣信息工程學院，遼寧 大連 116028)*

2004年前后，黨中央、國務院確定了“引進先進技術、聯合設計生產、打造中國品牌”的鐵路發展總體方針.在這個方針的指導下，通過技術引進、消化吸收再創新，南、北車制造能力，工藝水平得到了大幅度提高，在較短時間內，為中國鐵路提供了大量時速250 km、350 km等不同速度等級動車組［1］.我國自己制造的高速動車組馳騁在祖國大地上，成為一道亮麗的風景.

然而，動車組的運營安全關系到人民的生命財產安全，車下設備艙作為動車組的重要部件，保障著行車安全.本文開展設備艙動應力試驗研究，通過對關鍵部件動應力的跟蹤測試，了解并掌握運行里程、鏇修周期、線路條件等因素對零部件動應力的影響，從而更為準確的對結構進行疲勞可靠性評估［2］.圖1為某型動車組車下設備艙示意圖.

圖1 車下設備艙示意圖

1 試驗原理

實驗數據采集使用HBM公司的eDAQ數據采集系統，它是一種堅固的、可獨立工作的、緊湊型的數據采集系統，專為現場數據采集和自動監測而設計.不同功能的信號采集板卡可以疊加，靈活組建成或大或小的采集器［3］.多套采集器可以聯網實現同步采集，適合數百通道的要求.eDAQ具有極高的環境適應能力，適合礦山機械、工程機械、農用機械、鐵路車輛、卡車、乘用車等設備的現場工況載荷數據采集和試驗場強化耐久性試驗的數據［4］.

各個測點的應變信號均進行全程連續采集，采樣頻率為1 000 Hz.測試工作結束后，采用北京交通大學自行開發的JPLAS專用數據處理軟件系統進行數據處理［5］.本試驗為了保證載荷信號的質量，采用專門的信號放大器對載荷信號進行放大;為了保證應變信號不受環境溫度的影響，采用一個工作片與三個補償片組成的全橋測量.動應力測試工作結束后，數據處理基本流程如圖2所示.

圖2 數據處理流程圖

2 測點布置

根據強度計算分析結果，結合典型結構及重點結構重點監測的原則，選取車體抬車位(焊縫)、設備艙支架(母材)、牽引變壓器安裝(焊縫)，設置動應力長期跟蹤試驗主要跟蹤監測點，如圖3所示，表1為設備艙測點詳細說明.

圖3 測點布置圖

表1 設備艙測點詳細說明

3 牽引變壓器區域設備艙動應力測試結果

基于各測點應力-時間歷程，就可以得到各測點動應力在當天運行的最大、最小值和幅值.

由測點布置情況可知，針對抬車位、設備艙支架、牽引變壓器等區域布置了測點，選取了2017年9月11日和15日典型的數據分析以上各個區域動應力測試結果，各個區域動應力測試結果，如表2所示.

圖4和圖5分別為不同區域的動應力典型時域信號及其頻譜特性.由時域圖可以看出，牽引變壓器測點 S14、S10、S12、S11、S13、S9 的振動范圍分別為-0.79～0.84 MPa、-1.57～1.96 MPa、-0.47～0.47 MPa、-2.74～2.91 MPa、-0.65～0.63MPa、-1.71 ～2.05 MPa，各個測點的應力幅值出現時間不同步，且極值出現時的波形正常，故極值有效［6］.正線運營平穩階段牽引變壓器測點S14、S12、S13的振動幅度相當，在0.5 MPa左右波動，測點S10、S9的振幅也相當，在1 MPa上下浮動，測點 S11的振動幅度略高一些，約為2 MPa.從頻域圖可以看出，牽引變壓器測點的頻譜分布規律較為一致，振動能量以低頻為主，主要集中在4.9Hz處，在0.5Hz也有能量尖峰，但是并不顯著.

表2 動應力測試最值與幅值 MPa

圖4 牽引變壓器測點全程時域

圖5 牽引變壓器測點全程頻域圖

4 疲勞強度分析方法

車輛結構的疲勞屬于變幅載荷下的疲勞問題［7］.在變幅載荷下，低于疲勞極限的應力水平對于結構的損傷也可產生顯著的影響，因此變幅載荷下結構的疲勞評估需要考慮各級應力水平對結構疲勞損傷的貢獻.通用做法是將應力譜按損傷相等的原則等效為恒幅應力(稱之為等效應力幅)［8］.該等效應力幅能夠反映結構在一定的工藝條件、運用工況和運用里程下的動應力狀況，并采用該等效應力幅來評估結構在運用條件下的疲勞強度.

本試驗中采用雨流計數法對這些隨機信號進行處理，編制滿足工程需要的32級應力譜，隨后根據Miner線性累計損傷法則，將各測點的應力轉換為相應循環次數下的恒幅等效應力［9］.

由Miner線性疲勞累計損傷法則，計算測試一定公里內一個應力譜產生的損傷(D1)的公式如下:

式中，ni為各級應力幅值的循環次數;Ni為各級應力幅值對應的疲勞壽命;C1和m為S-N曲線參數.

設等效應力幅(σaeq)作用N次，結構產生的損傷為D，即

式中，N是與材料或焊接接頭疲勞極限對應的循環次數.對于焊接接頭，一般取N=2×106次.

已知實測應力譜的運行公里數為L1，一個應力譜產生的損傷為D1;設產生損傷D的安全運行里程為L公里，則:

將D1和D的表達式(1)和(2)代入式(3)，得:

即

如果要求動車組設備艙壽命期大約運行1500萬km，分別代入σaeq表達式，就可計算得出對應整個壽命期運行里程的等效應力幅［10］.

5 疲勞強度評估

為保證數據準確性，持續監測2016年2月～2017年11月數據，在2016年3月9日(始發站蘭州，運行交路C8505-C8506-C8511-C8512-C8517-C8518-C8523-C8524-C8529-C8530，運行里程736 km)，數據代入第4章公式，算得出現最大1 500萬km等效應力幅值，發生在S11測點，值為6.8 MPa，遠遠小于該部位的許用疲勞應力70 MPa(牽引變壓器測點均為鋼焊縫測點)，因此所有牽引變壓器測點滿足1 500萬km運營要求.圖6為2016年2月～2017年11月牽引變壓器測點1500萬km等效應力變化曲線，通過對比，數據穩定無突變.

圖6 牽引變壓器測點1 500萬公里等效應力變化曲線圖

6 結論

設備艙選材主要金屬的疲勞許用極限值，對比鋼焊縫、鋁母材、鋁焊縫的疲勞許用極限值，通過長達兩年的跟蹤試驗研究，可以得出牽引變壓器、設備艙支架、抬車位區域的1 500萬km等效應力最大值分別為6.8、2.2、6.8 MPa，都遠遠小于其疲勞許用極限(鋼焊縫為70 MPa、鋁母材為78 MPa、鋁焊縫為22 MPa)，因此上述區域滿足運營要求.

通過對高速動車組設備艙動應力測試試驗，運用Miner線性疲勞累計損傷法則，得出設備艙對應整個壽命期運行里程的等效應力幅，并與許用疲勞應力比對，對動應力測試結果進行結構可靠性評估.通過測試結果，判定在不同運行里程下設備艙等關鍵部件的安全可靠性，能更精確地評估設備艙等部件疲勞強度，并為提高動車組的修程修制里程提供依據，能夠保證動車組的安全可靠運營.