城軌車輛結構服役壽命評估體系研究

龔曉波,閻 鋒,湯勁松,康興東,王浩宇,楊國棟,李 爽

(中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

城軌車輛以其運量大、安全可靠和準點舒適等優勢在國內外已成為最主要的城市交通工具。城軌車輛是由車體、轉向架、牽引系統、制動系統等多個子系統和部件組成的復雜機電系統,各子系統和部件的使用壽命不盡相同,其中車體、轉向架構架等結構是整個車輛的骨架,其壽命直接決定著車輛的總服役壽命。

通過開展城軌車輛結構服役壽命評估體系研究,對保證車輛服役期內安全可靠運行、確定車輛能否滿足原設計壽命要求、到期后能否延長服役周期、后續維修策略及成本控制均具有重要意義。

1 工程背景

自1993年上海地鐵1號線開通以來,中國城市軌道交通建設進入了快速發展期,現已有40多座城市近220條軌道交通線路陸續開通運營[1]。截至2021 年初,國內已有多批次城軌列車到達設計半壽命期或第二次大修期,甚至部分批次列車已接近30 年設計壽命,如表1所示。

表1 城軌列車服役年限統計(超半壽命期)

由于城軌車輛固有的使用頻率高、客流量變化明顯、啟停頻繁和線路構造復雜等運用特征,隨著運營時間和里程的增長,車輛結構關鍵部位腐蝕、磨損及疲勞裂紋等問題日益突出,嚴重時將直接影響列車的運行安全;另外,由于列車設計半壽命期或第二次大修期涉及到諸如牽引、制動和網絡等子系統壽命到限更新或國產化升級改造等工作,若列車使用到達30年設計壽命后直接報廢,新換子系統得不到充分地全壽命應用,會造成總體運營成本提升等問題。因此,針對“列車未到達設計壽命,車體、轉向架構架等關鍵結構已出現大量裂紋,能否繼續使用”,“列車即將到達設計壽命,車輛結構運用狀態良好,能否延壽及如何延壽”以及“列車即將到達設計半壽命期或第二次大修期,如何經濟、合理地制定檢修規程”等運營單位格外關注的問題,有必要結合工程實際開展系統性、綜合性的城軌車輛結構服役壽命評估體系研究。

2 國內外研究現狀

由于國外城軌車輛發展起步較早,所以較早地開展了在役狀態下城軌車輛服役壽命研究。俄羅斯科學計算中心通過外觀檢查、超聲波測厚、無損探傷及仿真計算等手段,對相應城市運營的E、EM 和81系列地鐵車輛進行了延長使用壽命評估[2];AECOM 公司分別對澳大利亞昆士蘭不銹鋼車和西澳大利亞公共運輸局A 系不銹鋼車進行了剩余壽命和延長服役壽命研究,研究內容主要包括狀態檢查、疲勞強度仿真計算、同類車輛對比分析以及線路動應力和加速度試驗等;美國博思艾倫咨詢公司對某一鋁合金車體結構進行了剩余壽命評估,其研究方案為狀態檢查、靜強度試驗、線路動應力和加速度試驗[3]。

北京地鐵DK2型車于1969年投入使用,期間為滿足北京奧運會運輸能力需求,北京地鐵公司通過組織專家評審會,采用經驗法對超期服役列車進行了技術評估和改造工作;廣州地鐵1號線列車于1997年投入運營,2016年初,廣州地鐵公司以1號線鋁合金車體為研究對象,國內首次開展了鋁合金車體服役壽命評估研究,該項目通過現場檢查、靜強度和剛度評估、基于有限元仿真的疲勞強度評估以及基于線路試驗的疲勞壽命評估等手段,系統評估了鋁合金車體的服役壽命[3];北京地鐵1號線DKZ4型車2021年初將陸續到達第二次大修期,而廠修方案需依據車輛結構使用壽命制定,因此,北京地鐵公司于2019年通過狀態檢查、無損檢測、有限元計算、動應力測試及疲勞性能評估等手段,系統評估了該型車車體和轉向架構架等關鍵構件的使用壽命[4]。

通過對比可知,以上各評估工作開展方法不一,研究思路迥異,究其原因,可能與缺少相應技術資料、車輛實際性能和運用情況不同,以及尚無統一的服役壽命評估標準等有關;但這些研究工作無疑為構建科學合理的城軌車輛結構服役壽命評估體系開拓了思路,具有重要的參考價值。

3 評估體系流程

通過研究國內外軌道車輛壽命評估相關技術和經驗[5-9],結合無損檢測、理化分析、有限元計算、臺架試驗、線路試驗、疲勞強度及斷裂力學等學科,在國內首次開展了城軌車輛服役壽命評估方法研究,并通過北京、廣州、上海、天津等多個城軌車輛服役壽命評估項目,積累了豐富的工程實踐經驗。在此基礎上,形成了更為全面、系統的城軌車輛結構服役壽命評估體系,具體流程如圖1所示。

圖1 城軌車輛結構服役壽命評估體系流程圖

3.1 技術資料收集

車輛結構服役壽命評估前期,需首先對實車現狀進行調研,并掌握車輛相關技術資料和運營信息,為后續評估工作順利開展奠定基礎。需收集的技術資料主要包括設計技術資料、新車仿真及試驗資料、檢修及修補資料、運營信息資料和相關材料或接頭試樣。其中設計技術資料主要包括結構圖紙和相關技術參數等,為車輛結構建模及仿真計算提供輸入;新車仿真及試驗資料主要包括靜強度和疲勞強度計算、試驗報告等,以便了解車輛結構應力分布情況及相應評價標準;檢修及修補資料主要包括檢修規程和檢修記錄文件等,以便掌握車輛結構強度薄弱部位、缺陷信息及補強情況;運營信息資料主要包括車輛運行線路、環境和頻率等信息,以及運營里程和客流量信息等資料,以便詳細了解車輛性能和運用狀態;另外,必要情況下,需在車輛結構關鍵部位取樣,為力學性能測試及微觀組織形貌分析提供試樣。

3.2 車輛結構狀態評估

車輛結構狀態評估包括尺寸檢查、腐蝕檢查和無損探傷,主要評估長期運用造成的結構劣化情況。首先依據車輛技術文件和圖紙,對車體拱度、車體斷面尺寸、門窗尺寸以及轉向架構架軸距、一系簧座對角線尺寸等關鍵尺寸進行測量,評價車輛結構關鍵部位的變形情況,以及校核關鍵結構與圖紙的差異性,以便建立符合實車情況的實體模型。然后通過目視檢查、關鍵尺寸測量等方法對車體主要承載部件、轉向架構架等進行腐蝕檢查,并對腐蝕形貌和尺寸進行描述和評級,以及計算腐蝕速率并進行評價,根據腐蝕檢查結果,可進一步對實體模型關鍵尺寸進行修正。之后對車體主要承載部件和轉向架構架等結構主焊縫及母材進行滲透探傷、磁粉探傷和超聲波探傷,檢查有無結構缺陷或裂紋,并按照相關標準對缺陷進行評定,探傷結果可為動應力試驗測點布置提供依據,為裂紋擴展壽命計算提供缺陷尺寸參數。

3.3 車輛結構相關材料性能測試

相關材料性能測試主要包括理化性能分析、疲勞性能試驗及斷裂力學參數測定。理化性能分析,需在車輛結構關鍵部位取樣,并進行力學性能測試、化學成分及微觀組織形貌分析,以分析其性能是否由于長期服役而下降,是否存在超標微觀組織缺陷。疲勞性能試驗主要針對特殊細節類型的材料或接頭形式,需選取與車輛結構關鍵部位相一致的材料或接頭試樣,并測定其相應存活率下的S-N曲線及條件疲勞極限,為特殊材料或接頭疲勞壽命計算提供參數輸入。斷裂力學參數主要包括疲勞裂紋擴展閾值、斷裂韌度及相應于Paris公式的材料常數A、m等,可分別通過疲勞裂紋擴展門檻值試驗、平面應變斷裂韌度試驗以及疲勞裂紋擴展速率試驗獲取,所得參數可為裂紋擴展壽命計算提供參數輸入。

3.4 車輛結構有限元分析

由于現階段亟待開展壽命評估的車輛購進時間均較早,部分關鍵結構信息缺失,因此,需根據現有設計資料、維修圖紙及現場測繪結果初步建模,之后,基于尺寸檢查和腐蝕檢查結果對三維模型進行修正完善,以便為有限元建模提供模型輸入。

根據三維模型,建立車輛結構有限元模型。模型中,對于整車剛度及局部強度有影響的結構,均要考慮,同時為控制計算精度,應根據結構特點選取適當的單元類型和尺寸;另外,車體疲勞強度計算時,為真實模擬車輛的正常運營工況,需考慮底架吊掛設備、車內電氣設備、車頂空調、門窗、內裝以及乘客的質量分布。

靜強度和疲勞強度計算依據現行相關標準以及原車仿真評價標準進行,以全面了解車輛結構應力分布情況,并對其靜強度和疲勞強度進行評價;另外,根據計算結果確定強度薄弱部位,為車輛結構靜強度和動應力試驗提供應力測點布置依據。模態計算用于了解車輛整備狀態和結構狀態下的模態振型及頻率,為動應力試驗各測點部位動態特性分析提供依據。

3.5 車輛結構靜強度及模態試驗

根據靜強度計算結果、行業慣例及經驗確定應力測點位置,依據與靜強度計算相一致的標準進行車輛結構靜強度試驗,評估其靜強度和剛度,驗證有限元模型的可靠性,并與新車試驗報告對比分析車輛結構的退化情況。分別對整備狀態和結構狀態下的車體和轉向架等進行模態試驗,識別其模態振型和頻率,判斷整備狀態下相應頻率是否處于正常范圍,并為動應力試驗各測點部位動態特性分析提供依據。

3.6 列車線路動態試驗

選取具有代表性的車輛在實際運行線路上進行動態試驗,測試內容涵蓋車輛結構關鍵部位應力、載荷、加速度及線路信息等。應力測點主要布置于同批次車輛檢修過程中確定的危險部位,無損探傷發現存在缺陷的關鍵部位,靜強度計算、試驗和疲勞強度計算獲取的強度薄弱部位以及其他類似車輛曾經出現故障的部位;對車鉤、牽引拉桿等采用應變法進行標定,制作成測力構件并安裝在車輛相應位置處;加速度測點主要布置于車體枕梁附近和需重點關注的局部區域,以及轉向架軸箱、側梁、電機和齒輪箱等部位。

為準確模擬列車實際承載運營狀態,需根據列車運營信息資料,統計至少一周車輛的主要載荷狀態等級及其所占的運行里程比例,以及乘客上下車引起的載荷變化范圍等級及循環次數,進而為列車線路試驗提供載荷輸入。

線路試驗過程中,列車應按照實際運營狀態運行,在每種載荷狀態下列車至少往返3次。試驗完成后,采用數字信號處理技術,結合線路情況對實測信號進行處理;根據載荷和加速度時間歷程,明確車輛的受力和加速度狀態,并從時域和頻域角度協助開展動應力測試數據的動態特性分析;采用雨流計數法對應力、載荷和加速度時域動態信號進行統計,獲取不同載荷狀態的應力譜、載荷譜及加速度譜,其中應力譜將為車輛結構疲勞壽命計算提供數據輸入。

3.7 車輛結構疲勞壽命評估

車輛結構疲勞壽命評估需考慮列車運行過程中產生的疲勞損傷,以及列車到站上下客產生的疲勞損傷;在列車運行過程產生的損傷中,應考慮列車不同載荷運行狀態對車輛結構疲勞壽命的影響。

首先基于工程中較為成熟的名義應力有限疲勞壽命計算方法及累積損傷法則[10-12],采用線路實測應力譜作為輸入,根據車輛結構材質選取相應標準計算車輛結構的疲勞壽命。基于名義應力法的疲勞壽命評估流程為:

(1) 根據測點部位結構形式、應力方向、焊接狀態等信息,從相應標準中選取與測點部位相對應的細節類型和S-N曲線;對于無法滿足標準細節類型的接頭形式,則需通過接頭試樣疲勞性能試驗獲取相應的PS-N曲線;

(2) 根據Palmgren-Miner法則,計算各測點在不同載荷狀態下的疲勞損傷,并根據運行里程比例,計算車輛結構到達設計壽命時,因運行產生的損傷;

(3) 計算車輛結構到達設計壽命時,因上下客產生的疲勞損傷;

(4) 計算車輛結構到達設計壽命時的總損傷,進而計算其疲勞壽命。

名義應力法主要針對無缺陷結構的疲勞壽命評估,由于早期車輛結構焊接工藝不足,以及待評估車輛服役壽命過半等原因,不可避免地存在各類缺陷,甚至裂紋。因此,需采用斷裂力學法對歷次檢修或狀態評估中發現的關鍵部位處裂紋進行疲勞裂紋擴展壽命評估[13-15];同時,也可對車輛結構關鍵承載部位進行表面裂紋假定性預測,以分析其潛在安全性。基于斷裂力學法的疲勞裂紋擴展壽命評估流程為:

(1) 根據車輛結構歷次檢修記錄或無損探傷結果確定初始裂紋尺寸,初始裂紋尺寸也可假定為各種無損檢測技術能確定出的裂紋尺寸,并對其進行當量化處理,進一步確定裂紋評定計算模型;臨界裂紋尺寸根據斷裂判據估算,也可由工程經驗確定;

(2) 依據相關標準或試驗測定的斷裂力學參數,以及不同載荷狀態下的實測應力譜,應用Paris公式和逐循環積分法逐級計算相應測點應力譜塊對應的裂紋擴展量,由此計算不同載荷狀態下裂紋到達臨界尺寸時共運行的譜塊數,并根據運行里程比例計算裂紋擴展壽命;

(3) 將裂紋擴展壽命除以相應壽命安全系數即可得剩余使用壽命。

3.8 車輛結構服役壽命確定

車輛結構的服役壽命主要取決于支撐車輛的主要部件,車體主要承載部件包括牽引梁、枕梁和側梁等,轉向架構架主要承載部件包括側梁、橫梁等。原則上由這些主要承載部件疲勞壽命或剩余使用壽命的最小值確定車輛相應結構的服役壽命。

4 結束語

(1) 通過研究國內外相關服役壽命評估技術,并結合多學科理論及豐富的工程實踐經驗,形成了更為全面、系統的城軌車輛結構服役壽命評估體系;

(2) 該評估體系可為開展城軌車輛結構服役壽命評估提供借鑒和指導,并為形成科學完整的城軌車輛結構服役壽命評估標準奠定基礎;

(3) 通過該評估體系的工程應用,可評估出城軌車輛結構的服役壽命,為運營公司提供車輛使用期限和檢修周期的決策依據;

(4) 該評估體系的建立是一個動態過程,今后仍需對相關先進評估技術和方法進行深入研究,以使該評估體系得到進一步優化與完善。