高速列车车下设备舱底板的可靠性研究

2017-03-09朱玉晗

环球市场 2017年36期

朱玉晗

中车长春轨道客车股份有限公司

1、概述

自我国引进动车组以来，高速动车组车下设备船的可靠性研究属于一个比较新的领域，在目前现有的很多设备船设计中，凭经验设计的成分比较多一些，设计师常常以国内外类似结构为参考；国际上，对高速动车组的设备船试验评估标准与可靠性设计规范尚处于定性层次，无法定量预测和评定高速列车关键零部件的可靠性。为了保证这些部件在设计时具有高的可靠性，保证行车安全，需对该结构进行寿命试验，对高速动车组设备舱及底板的安全性和可靠性进行评估；同时通过获得符合真实情况的设备舱底板载荷谱为进行结构疲劳寿命可靠性设计和进行以可靠性为中心的维修性设计提供最基础的条件。

2、设备船结构的三维结构模型

设备舱由裙板、底板、骨架等主要结构组成。由于软件具有强大的三维建模功能以及与软件具有良好的接口，方便的进行数据交换，可以打大大提高工作效率和工作质量。本论文中设备船结构釆用进行实体三维建模，其模型与设备舱底板试验组合模型保持一致的原则。三维模型中，裙板与骨架、底板与骨架、骨架之间以及设备与设备船的连接方式与实体结构一致。只有三维模型与实际模型保持一致的前提下，有限元模型处理义会更加方便，有限元模型以及仿真能更加准确的反映整个设备船的受力情况以及受力变形情况。

3、设备舱底板组合模型疲劳试验

(1)疲劳试验的目的。在疲劳试验台条件下对设备船组合模型进行底板的疲劳试验，从而实现对高速列车车下设备船结构可靠性进行准确的评估。(2)试验条件测试条件：室内疲劳试验台条件下进行设备舱组合模型的标定和疲劳试验。(3)测试对象与内容测试对象：试件为设备舱组合模型，模拟现车安装结构将设备船骨架、裙板、底板、端板组合为一体，形成小型设备船的整体框架式结构，模拟车体结构制作工装，承载工况更符合实际工况。对底板进行加载试验，并对盖板托架、骨架边梁、底板、裙板布点测试。(4)试验台及加载方法：在试验台加载中，将设备舱组合模型倒置于地面，并将设备船骨架与地面固定，两侧的裙板施加约朿，两个作动器通过放置有真空吸盘的钢板加载到底板上，从而模拟在线路过程中设备船底板所受的气动载荷。

4、数据处理方法

4.1、滤波处理

在动应力的实测过程中，有的个别通道的信号可能会出现大的干扰，对于这种情况，只要干扰是有规律的，我们都可以通过频谱分析，找出信号的主要干扰频率范围，然后用数字滤波器将这些干扰信号滤掉。数字滤波器通常有低通、高通、带通、带阻四种频率选择。根据以往实测动应力频谱特性的分析结果，其主频均低于，而普通交流电源的频率为，因此对该信号进行的低通滤波，因此可以将不需要的或者由于交流电源干扰的波形滤掉。而加速度信号，由于加速度信号的频率比应力信号搞很多，关于加速度的信号本论文数据处理不进行滤波处理。

挑选应力时间历程峰谷值在研究疲劳寿命时，我们关心的是应力时间历程中的极大值和极小值点(即应力波峰波谷值)，而并不关心介于波峰、波谷值之间的数据样点，因此必须把这些数据样点加以过滤，只留下峰值点和谷值点，这一数据处理过程就是挑选应力时间历程峰谷值。

4.2、小波处理

在数据测试过程中，会釆集到很多应力幅值很小的波形，这些应力波形在编制应力谱时构成相当多数量的小循环。由于这些应力幅值远低于疲劳极限，通常我们认为这些应力对结构的疲劳不会造成影响。为此，因此在数据处理过程中，我们需要将这些应力值比较小的应力波形剔除掉。本论文中数据处理软件处理这些无效的应力波形为小波处理，通常我们认为应力低于的应力为无效的应力，因此本论文中小波处理的门滥值设为。

5、影响疲劳强度的主要因素

在机械零件中，由于结构上的要求，一般都存在槽沟、轴肩、孔、拐角、切口等截面变化。为方便起见，这些截面变化我们统称之为缺口。在这些缺口处，不可避免的要产生应力集中，而应力集中又必然使零件的局部应力髙。当零件承受静载荷时，由于常用的结构材料都是延性材料，有一定的塑性在破坏以前有一个宏观的塑性变形过程，使零件上的应力重新分配，自动趋于均匀化。因此，缺口对零件的静强度一般没有多大影响。而对疲劳破坏则情形完全不同，这时截面上的名义应力尚未达到材料的屈服极限，因此破坏以前不产生明显的宏观塑性变形，没有像静载破坏前那样的载荷重新分配过程。这样使得应力集中处疲劳强度比光滑部分低，常常成为零件的薄弱环节。因此，抗疲劳设计时必须考虑缺口效应。

尺寸效应试样和零件的尺寸对疲劳寿命的影响很大。一般来说，零件和试样的尺寸增大时疲劳强度降低。这种疲劳强度随零件尺寸增大而降低的现象称为尺寸效应。

用MTS疲劳试验机对设备舱底板模型进行加载，山于室内疲劳试验模拟工况需比线路试验恶劣，施加载荷幅值应比线路实测等效载荷要大，考虑动荷系数，保证90%可靠度，载荷幅值需比等效载荷大30%，同时设备舱骨架又不能承受太大的载荷而导致设备舱骨架在疲劳试验过程中受损，故加载的载荷幅值为1.6kN，加载频率为5Hz，进行1000万次的疲劳试验，通过试验验证，设备舱底板和骨架没有出现疲劳破坏的裂纹。