城軌車輛長期服役過程中關(guān)鍵部件疲勞壽命性能研究

權(quán)光輝,王 暉

(中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東 青島 266111)

城市軌道交通具有運輸量大、節(jié)能環(huán)保和乘坐方便舒適等諸多優(yōu)勢,發(fā)展城市軌道交通成為促進城市交通發(fā)展、優(yōu)化城市空間布局的重要途徑[1]。我國城軌車輛客流量大,運用條件復(fù)雜,線路多樣性強,其關(guān)鍵部件的疲勞可靠性面臨著嚴峻考驗。車體和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架均為城軌車輛系統(tǒng)中的關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu),其疲勞可靠性對于車輛的安全運行至關(guān)重要。在城軌車輛長期服役過程中,轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度不足引發(fā)的疲勞失效問題時有發(fā)生,包含電機吊座、齒輪箱吊座、彈簧帽筒、橫側(cè)梁連接部、橫縱梁連接部、垂向止擋座等部位。FU[2]、王斌杰[3-5]、謝樹強[6]等針對B型地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架出現(xiàn)的疲勞裂紋問題,在線路上實測了相關(guān)部件應(yīng)力和加速度并進行了時域和頻域分析,結(jié)果表明輪軌激勵激發(fā)了構(gòu)架產(chǎn)生高頻共振,導(dǎo)致疲勞裂紋發(fā)生,并在此基礎(chǔ)上提出了車輛和軌道線路的維護建議。

在城軌車輛實際服役環(huán)境下,開展動應(yīng)力試驗是準確評估車輛部件疲勞強度的重要手段。張浩楠[7]基于長周期實測動應(yīng)力數(shù)據(jù)編制了疲勞應(yīng)力譜用于地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞強度評估。SEO 等[8]等通過靜載荷試驗、疲勞試驗和線路試驗評估了全尺寸城軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞強度,結(jié)果表明某些位置的應(yīng)力和應(yīng)變呈多軸狀態(tài)。張震[9]以B型地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為研究對象,分析了構(gòu)架動應(yīng)力與運行條件的關(guān)系。

本文研究的國內(nèi)某城軌地鐵,其線路是目前地鐵運營線路中客流量最大、運能最高的線路之一,特別在早晚高峰或節(jié)假日期間,滿載率高,乘載時間長,龐大的客流導(dǎo)致列車長期超載運營,這些因素對車輛部件的安全性提出了更高的要求。通過測試實際服役狀態(tài)下地鐵車輛轉(zhuǎn)向架、車體關(guān)鍵部位的動應(yīng)力數(shù)據(jù),可準確評估車輛結(jié)構(gòu)的疲勞強度,同時為優(yōu)化車輛運維策略提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方案

1.1 有限元仿真計算

通過有限元仿真計算構(gòu)架疲勞強度的關(guān)鍵部位的應(yīng)力,進而確定動應(yīng)力測點位置。加載位置和載荷工況按JIS 4207:2004《鐵路車輛 轉(zhuǎn)向架 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度設(shè)計通則》[10]進行。圖1為各測點應(yīng)力均值和幅值分布Goodman圖,通過疲勞計算結(jié)果可知:超過非打磨焊縫疲勞強度許用值的位置有電機安裝座焊縫、一系彈簧座焊縫和空氣彈簧座焊縫,這些區(qū)域需要重點關(guān)注。

圖1 疲勞計算Goodman圖

1.2 線路測試

測試車輛為3動3拖的編組形式,分別選用Tc車1臺轉(zhuǎn)向架,M0-2車1臺轉(zhuǎn)向架和1輛車體作為研究對象,其中M0-2車轉(zhuǎn)向架為動車轉(zhuǎn)向架,Tc車轉(zhuǎn)向架為拖車轉(zhuǎn)向架,具體位置見圖2。

圖2 測試轉(zhuǎn)向架位置

動應(yīng)力測點位置根據(jù)有限元分析結(jié)果和轉(zhuǎn)向架臺架試驗測得的應(yīng)力數(shù)據(jù)確定,應(yīng)變片布置在相應(yīng)測點的主應(yīng)力方向。由于焊接接頭具有易產(chǎn)生原始缺陷和形成應(yīng)力集中的特點,極易出現(xiàn)疲勞損傷,測試布點時對焊縫位置進行了重點關(guān)注。如圖3所示,采用4個應(yīng)變片組成全橋電路方法以有效實現(xiàn)對工作區(qū)域應(yīng)變片的溫度補償,消除測試環(huán)境溫度對應(yīng)力數(shù)據(jù)的影響。采用IMC數(shù)字式動態(tài)信號采集系統(tǒng)對動應(yīng)力數(shù)據(jù)進行連續(xù)采集,采樣頻率設(shè)置為2 000 Hz,以保證測試數(shù)據(jù)的真實性。

ε1—工作片;ε2、ε3、ε4—補償片;Uin—橋壓;Uout—信號。

2 疲勞強度評估方法

2.1 應(yīng)力譜編制

在實際運用條件下,動應(yīng)力是一個隨時間變化的復(fù)雜歷程,在進行疲勞評估時首先將動應(yīng)力的整個時間歷程整理成應(yīng)力譜形式,采用雨流計數(shù)法進行循環(huán)計數(shù)處理。需要說明的是,結(jié)構(gòu)的應(yīng)力譜一般由若干級大小不同、循環(huán)次數(shù)不等的應(yīng)力所構(gòu)成。對于城軌車輛的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和車體結(jié)構(gòu)而言,取32級應(yīng)力譜可以滿足并可靠地反映實際的動應(yīng)力歷程。

2.2 等效應(yīng)力幅值計算

與靜強度問題不同,結(jié)構(gòu)疲勞強度是一個損傷不斷累積直至最后斷裂的過程。在變幅的載荷作用下,結(jié)構(gòu)件不同位置的疲勞損傷逐漸累積,超出一定限值后發(fā)生斷裂,不同級別的應(yīng)力水平均會對損傷產(chǎn)生影響。本文通過等效應(yīng)力進行評價,考慮了不同應(yīng)力級下的疲勞損傷貢獻,該等效應(yīng)力可以反映當(dāng)前車輛測試部件位置的工藝狀態(tài)、運用狀況和運用里程(運用時間)下的動應(yīng)力。將計算所得的等效應(yīng)力與可靠度下的疲勞極限進行比較,可以評估部件在一定的運用條件和指定可靠度下的疲勞強度。

本文采用Miner線性疲勞累計損傷法則和NASA推薦的S-N曲線計算等效應(yīng)力,可合理考慮各個級別下應(yīng)力對疲勞損傷的影響。等效應(yīng)力的計算方法如式(1)所示:

(1)

式中:L為軌道車輛轉(zhuǎn)向架在規(guī)定使用年限內(nèi)的總運用里程,取396萬km(每年運營12萬km,總壽命為33年);L1為實測動應(yīng)力數(shù)據(jù)對應(yīng)的公里數(shù);σ-1ai為各級應(yīng)力幅值;ni為不同應(yīng)力級別對應(yīng)的循環(huán)次數(shù);m為S-N曲線參數(shù),對于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接結(jié)構(gòu),一般取為3.5,對于普通鋼的母材,一般取5;N為疲勞極限所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù),對于焊接結(jié)構(gòu)一般取200萬次,對于母材一般取1 000萬次。

2.3 疲勞強度評估判據(jù)

在進行軌道車輛部件疲勞強度評估時,國際上普遍采用許用疲勞極限作為判據(jù)。國內(nèi)外對結(jié)構(gòu)疲勞強度的研究表明,許用疲勞極限主要取決于材料的S-N曲線、表面系數(shù)、疲勞缺口系數(shù)等。本文參照JIS 4207:2004標(biāo)準的要求,碳鋼焊縫不打磨時疲勞容許應(yīng)力為70 MPa,碳鋼焊縫打磨時疲勞容許應(yīng)力為110 MPa。

在進行轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)疲勞強度評估時,比較各測點運行公里數(shù)的等效應(yīng)力與許用疲勞極限,如果等效應(yīng)力小于許用疲勞極限,則表示能夠安全運行。否則不能保證安全運行,需要降低運行公里數(shù),即減小等效應(yīng)力,直至其小于許用疲勞極限。

3 結(jié)果及分析

3.1 每日運行里程統(tǒng)計數(shù)據(jù)

對同一列車輛的每日運行里程進行統(tǒng)計,為后續(xù)等效應(yīng)力計算提供數(shù)據(jù)支撐。車輛每日運行里程統(tǒng)計見圖4。由圖4可見,該地鐵列車每日運行里程最大值超過600 km,屬于國內(nèi)運能較高、較為繁忙的地鐵線路。

圖4 每日運行里程統(tǒng)計

3.2 動應(yīng)力與列車載重的關(guān)系

圖5～圖10為一天內(nèi)不同測點的動應(yīng)力測試數(shù)據(jù)與載重的關(guān)系曲線,其中載重數(shù)據(jù)為整列車的載重。

圖5 車體動應(yīng)力與載重的關(guān)系曲線

圖6 軸箱體動應(yīng)力與載重的關(guān)系曲線

圖7 空氣彈簧座焊縫動應(yīng)力與載重的關(guān)系曲線

圖8 一系彈簧座焊縫動應(yīng)力與載重的關(guān)系曲線

圖9 牽引拉桿座焊縫動應(yīng)力與載重的關(guān)系曲線

圖10 構(gòu)架橫梁和縱梁焊縫動應(yīng)力與載重的關(guān)系曲線

由圖5～圖10可知:

(1) 車體牽引梁蓋板處動應(yīng)力時域波形與當(dāng)天載重變化規(guī)律一致;

(2) 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架測點軸箱體、空氣彈簧座焊縫、一系彈簧座焊縫動應(yīng)力時域波形與當(dāng)天載重變化規(guī)律一致,而牽引拉桿座焊縫以及構(gòu)架橫梁與縱梁焊縫與當(dāng)天載重變化規(guī)律不完全一致;

(3) 牽引拉桿座焊縫存在正負值交替變化的趨勢,分析原因應(yīng)為車輛上下行交替運營,車頭和車尾交替,應(yīng)力正負值發(fā)生變化所致。

以上結(jié)果表明,車體和轉(zhuǎn)向架典型部件關(guān)鍵位置應(yīng)力幅值與列車載重具有強關(guān)聯(lián)性,長期大負載運行會增加車輛關(guān)鍵位置的動應(yīng)力,從而影響車輛部件的疲勞壽命。

3.3 等效應(yīng)力分析

圖11～圖13為構(gòu)架及車體測點每日等效應(yīng)力變化趨勢。縱梁與橫梁連接焊縫、牽引拉桿座焊縫的等效應(yīng)力較大,最大值超過70 MPa。構(gòu)架空氣彈簧座焊縫和一系彈簧座焊縫等效應(yīng)力維持在較高水平。根據(jù)2.3節(jié)中的疲勞強度評估判據(jù),需要對構(gòu)架區(qū)域一系彈簧座焊縫、空氣彈簧座焊縫、牽引拉桿座焊縫、縱梁與橫梁連接焊縫等進行打磨處理。

圖11 縱梁與橫梁連接焊縫、牽引拉桿座焊縫等效應(yīng)力隨日期的變化曲線

圖12 構(gòu)架空氣彈簧座焊縫、一系彈簧座焊縫等效應(yīng)力隨日期的變化曲線

圖13 車體蓋板焊縫等效應(yīng)力隨日期的變化曲線

各測點等效應(yīng)力變化規(guī)律基本一致,由于受假期限流影響,地鐵載客量明顯減小,故各測點當(dāng)天等效應(yīng)力均明顯降低,其余時間段除車體測點外,其他測點均處于高應(yīng)力水平。

4 結(jié)論

本文跟蹤測試了長期服役狀態(tài)下某地鐵車輛轉(zhuǎn)向架、車體關(guān)鍵部位的動應(yīng)力,獲得了動應(yīng)力與列車載重變化的關(guān)系,依據(jù)Miner線性疲勞累計損傷法則計算了各測點的每日等效應(yīng)力,結(jié)論如下:

(1) 車體和轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部位處的應(yīng)力幅值與列車載重具有強關(guān)聯(lián)性,長期大負載運行增加了車輛關(guān)鍵位置的動應(yīng)力,影響車輛關(guān)鍵部件疲勞壽命。

(2) 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架縱梁與橫梁連接焊縫、牽引拉桿座焊縫位置的等效應(yīng)力較大,最大值超過70 MPa,構(gòu)架空氣彈簧座焊縫和一系彈簧座焊縫位置等效應(yīng)力維持在較高水平,必須對關(guān)鍵焊縫進行精細打磨處理。