基于双参数雨流法的地铁车辆转向架构架寿命评估

孙德明 程祖国 王永坤

(同济大学铁道与城市轨道交通研究院,201804,上海∥第一作者,硕士研究生)

地铁车辆转向架构架安全直接影响轨道交通列车的安全,由此,基于实测载荷谱的结构可靠性分析和寿命预测正得到人们的重视。这一工作的开展,基于大量原始数据的辛勤积累,选择一个科学、快捷的数据统计处理方法是关键。双参数雨流法在计数原理上与实际工作载荷对金属零件的循环应力-应变较相似,有坚实的力学基础,具有较高的正确性,是结构可靠性分析和寿命预测的首选过程工具[1]。受某地铁运营公司委托,对其线路上运行的转向架构架进行在线应力测试,结合双参数雨流法和miner疲劳损伤累积理论,估算地铁转向架构架的疲劳寿命。

1 双参数雨流法

双参数雨流法是由Matsuiski和Endo等人提出的一种双参数计数法[2]。它建立在对封闭的应力-应变迟滞回线进行逐个计数的基础上,将时间历程简化为一系列的全循环和半循环,计数结果用应力幅值和应力均值的向量来表示。该方法能够较好地反映随机载荷作用效应的全过程。该法认为,塑性的存在是疲劳损伤的必要条件,并且其塑性性质表现为应力-应变的滞后回线[3]。

2 转向架构架应力在线试验分析

2.1 试验概况及典型测点布置

对该地铁运营公司线路上运行的多种转向架进行了在线载客正常运营工况下的应力测试试验,测点遍及整个构架。本文结合有限元软件数字虚拟仿真计算和既有经验,在构架上锁定5处关注点作代表,分析构架寿命。5处测点分布见图1：测点B02位于电机吊座,测点B06位于横梁上盖板与齿吊座连接处,测点B08位于齿轮箱吊座处,测点B21位于横梁下盖板与齿吊座连接处,测点B22位于齿吊座(下座板下表面)。

2.2 测点应力的二维雨流统计

通道B02在线实测应力双参数雨流法计数结果见表1。通道B06计数结果在应力幅30 MPa、平均应力10 MPa时出现一次;通道B08计数结果在应力幅25 MPa、平均应力-5 MPa时出现3次;通道B21计数结果在应力幅35 MPa、平均应力-5 MPa时出现2次;通道B22计数结果在应力幅20 MPa、平均应力15 MPa时出现一次。

图1 转向架上典型测点分布

表1 通道B02双参数雨流法计数结果

3 构架被关注部位寿命估算

3.1 相对标准试件的实测应力修正

经过雨流循环计数后得出的应力循环的平均应力不为零,需要通过一定的方法修正为平均应力为零的应力循环,以应用有关标准对应力进行后续评估。在疲劳分析中一般采用Goodman曲线修正。

式中：

σa— —应力幅值;

σ-1——材料疲劳极限;

σm——平均应力;

σb——抗拉强度 。

平均应力、抗拉强度为材料标准试件测试的公称值。与表1中应力等效的对称循环应力见表2。

表2 通道B02测点应力等效的对称循环应力

3.2 测点寿命估计方法

大多数工程结构或机械所受循环载荷的幅值都是变化的,变幅载荷下的疲劳破坏是不同频率和幅值的载荷所造成的损伤逐渐累积的结果。在工程上广泛使用的是Palmgren-Miner线性疲劳累积损伤理论[4]。

根据S-N曲线(描述外加应力水平和标准试件疲劳寿命之间关系的曲线),对称应力幅σi对应的疲劳寿命Ni为：

式中：

第二天，越秀在书桌上发现一大堆碎纸，这纸都是秀容月明用来练字的，跟往常不同，秀容月明都把纸撕了。越秀拼凑了几张，也没瞧出他写的是什么字。

N0——疲劳循环基数,一般取107;

σ-1——材料疲劳极限;

m——材料疲劳曲线的斜率。

疲劳失效前载荷谱各级应力出现的总次数ni为：

式中：

nz——载荷谱各级载荷共同作用下导致疲劳失效的循环总数;

n′i——载荷谱中该级应力出现的次数;

nk——载荷谱各级应力出现次数之和。

由式(1)、(2)、(3)推出材料的 nz为：

对构架而言,式(4)中材料疲劳极限 σ-1需用构架应力测试部位的零件疲劳极限σ′-1代替。构架应力实测部位的 σ′-1与来自材料试件的σ-1的关系为：

式中：

ε——尺寸系数;

β——表面加工系数;

Kσ——应力集中系数。

将式(5)代入式(4)中,得到应力实测部位的寿命 n′z为 ：

3.3 测点的寿命估计结果

由于被试构架材料与16MnR低碳合金钢材料接近,式(6)中各参数取自16MnR材料参数[6],可得测点的疲劳循环次数(见表3)。

假设地铁车辆每天运行10个周次,每年运行360天,则可以估算出测点的疲劳寿命(见表4)。由此可以得出该转向架构架的寿命约为13.4年。

表3 测点的疲劳循环次数

表4 测点的疲劳寿命

4 结论

论文结合有限元软件数字虚拟仿真计算和既有经验,锁定构架5处关键点分析其寿命,其中电机吊座点的寿命约为13.4年。

[1] 赵晓鹏,姜丁,张强,等.雨流计数法在整车载荷谱分析中的应用[J].科技导报,2009,27(3)：67.

[2] 田军,李强.改进的雨流法实时计数模型[J].北京交通大学学报,2009,33(1)：28.

[3] 柏立华.动车转向架疲劳强度可靠性研究[D].上海：同济大学铁道与城市轨道交通研究院,2005.

[4] 任利惠,王社峰,黄磊.国产化A型地铁车辆转向架构架动应力测试试验及疲劳寿命评估报告[R].上海：同济大学铁道与城市轨道交通研究院,2008.

[5] 安琦,顾大强.机械设计[M].北京：科学出版社,2008.

[6] 程祖国,任利惠,许小强.城轨动车转向架构架电机吊座裂纹研究[J].铁道车辆,2000,38：91.