高速列車車下設備艙底板的可靠性研究

王宏

摘要：隨著我國經濟水平的不斷提高和綜合國力的提升，動車事業得到了迅猛發展，推動了我國交通事業的發展，拉動區域經濟，縮小貧富差距。目前，我國高速列車營運速度為330千米每小時，最高時速可達380千米，運營速度位居世界前列。高速列車引進中國后，在車下設備艙底板可靠性研究領域還不成熟，大多數設計師則憑借自身的設計經驗對高速列車車下設備艙進行研究和探索，由于高速列車車下設備艙底板的零部件沒有可靠的評估方式，只能對其進行壽命試驗。基于此，本文對高速列車車下設備艙底板的可靠性進行深入的研究并分析了我國高速列車的現狀。

關鍵詞：高速列車;設備艙底板;可靠性;疲勞試驗;數據處理;現狀

0 ?引言

高速列車車下設備艙底板會受到地面氣動效應的影響，且該影響具有非周期性的特點。地面氣動效應即翼面效應，是指當運動速度較快的物體與地面之間形成的空氣動力干擾，常發生飛機、汽艇、動車和汽車運行過程當中，會對其安全性造成負面影響。因此應該采用相應的技術對高速列車車下設備艙底板進行疲勞試驗，提高其安全性與可靠性。目前我國關于高速列車地面氣動研究雖然取得了一定的成就，但仍處于發展階段，數據處理技術和疲勞試驗技術的應用還不成熟，跟西方發達國家相比還存在一定的差距[1]。本文對我國高速列車的現狀、設備艙結構特點、疲勞試驗及其影響因素和數據處理技術進行了深入的分析和研究，基于我國現狀，我國鐵路事業發展要以創新為主，在外來技術引入消化吸收的基礎上實現再創造，最終在動車事業中實現中國創造與中國制造。

1 ?我國高速列車發展現狀

近年來，我國動車事業飛速發展，僅僅用了幾年的時間走完了幾十年的道路。2007年，CRH高速列車在引進日本技術的基礎上進行了符合中國的技術創造，邁出了我國自主研發的第一步，標志著中國高速列車進入全新時代[2]。我國鐵道部堅定不移的堅持走引進消化再創新的自主創新道路，不斷提高動車自主創造能力和制造能力。我國鐵路事業雖然在短短幾年內取得了飛速進展，但是跟發達國家動車組創造技術仍然存在很大的距離。

2 ?高速列車設備艙結構特點

設備艙具有保護車下設備的重要作用，符合空氣動力學的特點，提高了列車運行性能和效率，因此設備艙底板的疲勞試驗是至關重要的。目前我國高速列車車下設備艙結構較為復雜，包括端板、裙板、骨和底板等。車下設備艙底板是重要的結構組成部分，其主要材料為不銹鋼，形狀為波紋狀，兩側結構較為特殊，翻邊設計的主要目的是提高車下設備艙的強度，設備艙連接結構主要有底板與底架相連，端板與端骨架相連，縱向骨架與裙板相連，橫向骨架與裙板相連，此種連接方式和結構能夠減少底板材料的使用，還能達到減輕動車車身重量的目的。設備艙中的裙板材料主要有鋁合金等，裙板的連接方式復雜，雖然厚度較小，但是強度與剛度較高，在不經常維修和檢查的地方設置通風口并焊接到裙板上，能夠起到保護散熱和保護車下其他設備的重要作用。

3 ?設備艙結構三維模型

三維結構模型是指將高速列車的設備艙用實體進行三維展現的過程，三維建模功能在設備艙結構的了解中具有至關重要的作用，為本文后續高速列車車下設備艙底板的疲勞試驗提供了良好的技術基礎，能夠幫助相關工作人員更好的了解高速列車車下設備艙的整體結構，明晰各結構之間的關系。目前我國高速列車車下設備艙的組成結構較為復雜，主體結構主要有骨架、裙板以及底板。三維建模軟件能夠與其它軟件實現數據的鏈接，從而實現各數據軟件與三維建模軟件各項數據信息的交換，為三維建模提供更加準確真實的檢測數據，從而實現設備艙的三維建模，不僅節省了數據記錄和傳送所需要的時間，節約人工成本，還在很大程度上提高了工作效率。在進行三維建模時相關工作人員應該堅持于組合模型相一致的基本原則，不得隨意更改試驗組合中模型的相關數據，在各結構連接方式模型建立的同時要符合高速列車車下設備艙底板的實際結構，連接內容主要包括骨架、裙板、底板與骨架之間的連接方式，堅持三維建模與實際情況相一致的基本原則。在完成設備艙三維建模之后應該加強有限元模型的應用，有限元模型的應用能夠清晰的反映出其具體的受力或變形情況。

4 ?高速列車車下設備艙底板疲勞試驗

高速列車車下設備艙底板疲勞試驗主要包括四個內容，即實驗目的、測試條件、測試對象和試驗臺及加載方式。

第一，高速列車車下設備艙底板疲勞試驗目的是通過實驗檢驗其可靠性和安全性，正確精準評估高速列車車下設備艙受地面氣動效應的影響與使用壽命。

第二，疲勞試驗的測試條件包括測試環境，即在試驗臺下進行。

第三，疲勞試驗測試對象與測試內容[3]。測試對象為高速列車車下設備艙組合模型，將裙板、端板等模擬零部件組合為一個基本框架，模擬動車運動時狀態，測試其承載狀況，根據實驗所得數據進行適當的加載試驗，同時對各零部件進行布點測試。

第四，試驗臺加載方式。試驗臺加載是疲勞試驗中的重要試驗環節，是檢測起高速列車車下設備艙底板使用壽命的主要手段。將組合好的車下設備艙模型倒放在地上并予以固定，固定后對兩側裙板進行施壓，放置作動器、鋼板加載等來模擬設備艙底板受到的地面氣動的實際場景。疲勞試驗具有簡單易操作、可視化等優點，真實展示了高速列車車下設備艙底板與地面的氣動效應，有助于提高工作效率，提高其可靠性與安全性。

5 ?在疲勞試驗中影響疲勞強度的主要原因

5.1 機械零件結構因素

在疲勞試驗中涉及到多種機械零件，而不同機械零件具有不同的缺口，例如拐角、槽溝等，這些缺口會集中應力，集中應力后會使機械零件的局部應力升高，機械零件原材料由于具有一定的延展性使得局部應力均勻化，因此靜強度與機械零件缺口無明顯關系。但是在疲勞試驗環境下，機械零件上的拐角和切口等缺口受到的應力強度達不到該材料的延展條件，跟正常環境下相比缺少應力重新分配的過程，使得試驗過程中應力受力不均，機械零件缺口處應力集中的疲勞強度與平滑處不同，增加了疲勞試驗的難度，是影響疲勞強度的主要因素之一，因此在進行疲勞試驗設計時應充分考慮機械零件結構對實驗結果的影響[4]。此外，機械零件尺寸也是影響疲勞強度的主要原因，如果零件尺寸大，則疲勞強度降低，因此被稱為尺寸效應，在實驗前根據實際情況確定實驗機械零件的尺寸，減少其對實驗結果的影響。

5.2 試驗環境因素

實驗環境是影響疲勞試驗疲勞強度的重要因素。大部分疲勞試驗是在室內完成的，使用MTS疲勞試驗機，由于試驗模擬的電路工況需要比實際情況復雜，施加載荷要大于正常值，預估動荷系數范圍，在此試驗環境下可以達到百分之九十的可靠性。在實驗過程中載荷數值不能過大，這樣會對設備艙骨架造成損耗，因此一般疲勞試驗次數約為一千萬次，預定載荷值為1.6KN。精準的預估數據和良好的試驗環境是疲勞試驗的基礎，也為技術工作人員提供了較為精準的數據，大大提升其工作效率，有助于提高我國高速列車的運行質量和運行效率。

6 ?試驗過程涉及的數據處理技術

6.1 小波數據處理技術

小波數據處理技術是一個剔除較小應力波形的過程。應力波形是疲勞試驗過程中產生的相關數據，在實驗過程中會產生大量的應力波形小循環，這些應力波形對疲勞試驗數據幾乎不產生任何影響，因此在數據處理的過程中需要將其剔除掉，已達到減少數據處理工作量的目的，縮短試驗時間，提高效率[5]。目前我國用于高速列車車下設備艙底板疲勞試驗的小波數據處理值為5MPa。

6.2 濾波處理技術

濾波技術通常應用的是數字濾波器，數字濾波器可以將有規律的干擾頻率進行分析和濾掉。在氣動效應試驗過程當中，周圍信號會對實驗的準確性產生影響，當干擾出現規律的時候我們可以利用數字濾波器對干擾信號進行分析處理，找出頻率范圍并進行屏蔽。數字濾波器有四種頻率選擇，會根據干擾頻率的范圍做出相應的調整，簡化實驗數據，提高實驗結果的準確性[6]。對于實驗中出現的加速度信號濾波技術不進行相應的處理，原因是加速度的信號強度要遠遠高于應力信號，因此相關工作人員要根據具體情況選擇合適的濾波處理技術。此外，相關工作人員在研究疲勞壽命時應該選擇適當的峰谷數值，著重關注試驗過程中產生的最大值和最小值。

7 ?結束語

綜上所述，高速列車車下設備艙底板的可靠性研究對提升我國動車運行速度、運行質量和運行效率具有重要的作用。疲勞試驗是檢驗動車車下設備倉底板安全性與可靠性的重要措施，鐵路相關技術工作人員在設計試驗前要充分考慮到設備艙機械零件結構、環境因素對實驗結果的影響，提高實驗結果準確性，在實驗過程中充分運用小波數據處理技術和濾波數據處理技術，縮短試驗時間，簡單試驗過程，提高工作效率。基于我國動車事業發展的現狀，要致力于自身技術的研發和應用，減少對國外核心技術的依賴，加強自主創新，加強鐵路相關專業技術人員的培養，促進我國交通事業又好又快發展。

參考文獻：

[1]閆旭東.高速列車車下設備艙底板的可靠性研究[D].北京交通大學，2017.

[2]朱玉晗.高速列車車下設備艙底板的可靠性研究[J].環球市場，2017，21（036）：394-394.

[3]張富兵，劉潮濤，鄔平波，高速列車設備艙底板的振動特性研究[J].振動.測試與診斷，2019，39（01）：190-196.

[4]許飛.標準動車組車體和設備艙應力特征和可靠性分析研究[D].2018.

[5]宋紅.高速列車設備艙底板折邊氣動阻力和底板剛度分析[J].計算機輔助工程，2018，20（2）：7-10.

[6]孫彥.高速列車設備艙底板折邊氣動阻力和底板剛度分析[J].計算機輔助工程，2019（02）：10-13.