台车架横梁测试方法研究

王小刚+王春香+于灏+赵钰龙

摘 要：本文从断裂机理出发通过有限单元法分析确定疲劳关键部位，依据运动特性分解基本载荷系，分析国内外研究成果，进而提出测试方案，方案包括信号的测试和数据处理等内容。此测试方案运用于实际对生产与设计都有一定的参考价值。

关键词：干熄焦 台车架 测试方法

中图分类号：U461.91 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（b）-0111-03

干熄焦车的主要部件与火车的转向架一样，台车架主要的作用是联系车轮与车体。支撑车体所有重量包括车体零部件与车上载荷，所以台车架的工作状态直接决定了整车的运行情况与安全情况。经过实际测试，干熄焦车中最易发生破坏的零部件就是台车架横梁。因此，能够准确、有效地计算和测试台车架横梁的应力、应变等信息对于设计与生产都非常重要[1-2]。为确定横梁的破坏原因，本文应用有限元法分析确定了台车架的疲劳关键部位[3]，提出了一套测试台车架疲劳关键部位应力的测试方法，分析了载荷并确定了测定位置、制定了测试电路和选定了采样频率，详细介绍了信号处理的必要性与基本的步骤[4-5]。此测试方案运用于实际对生产与设计都有一定的参考价值。干熄焦车台车架（如图1）在使用过程中经常出现横梁断裂如图2所示。

1 工况分析

对台车架进行分析，首要的是了解干熄焦车台车架的运行情况。干熄焦车的构成如下：每个台车架上安装有两个轮轴，每轮轴上安装车轮一对。车轮运行于铁轨之上，铁轨型号p50。每干熄焦车需台车架两组，在两组台车之上安置主梁一架。干熄焦车在工作时会搭载提升主梁一架、焦罐一个、焦炭21t。其工况如表1所示。整个运焦过程共用时20min，最大载荷时应力为58.6MPa，如图3所示。满足静强度条件，其断裂原因需要进一步实验探究。

2 測试系统

本研究主要测试台车架横梁应力关键处的应力，采用同步连续测试系统[3，5]。测试系统由：被测横梁、传感器（应变片）、信号采设备、存储设备和供电设备组成。采集设备采为HBM公司eDAQ数据采集设备。eDAQ小巧耐用，可独立工作，适应能力高，适合矿山、冶金与农业机械，是专门为采集数据与实时监控数据而设计，采用了大容量的存储设备，有效防止了数据过大溢出损失宝贵数据，供电可以采用独立电池供电，不但可以降低电压变化的影响而且操作灵活，便于携带和布置测试系统。

3 测量电路

应变片的工作原理是应变-电阻效应，在实际的测试中，横梁的变型是十分微小的。所以需要测量电路，把电阻的变化转变成模电信号，然后再通过放大就可以得到测试需要的数据了。应用最广的就是惠斯登电桥（如图4），其中ac端接电源，bd为输出端，输出电压为V0：

4 测点布置

为了保证测试的准确可靠，同时又尽可能地降低测试的成本。第一步要准确确定疲劳关键部位。采用理论与实际相结合的方法。一方面统计台车架横梁断裂纹的位置，在坐标系中画出这些裂纹，然后找到其破坏中心位置。另一方面采用现在比较流行的有限元分析方法，建造三维实体模型，用软件分析找到其疲劳关键部位（如图3所示）。其中黄色部位是应力集中部位，也就是疲劳关键部位。这与实际中破坏的部位是一致的，所以在此处安装传感器（如图5所示）。

5 采样频率

采样频率要依据台车架的最高频率进行指定。实际测试中常取被测系统最大频率的10倍作为采样频率。可以有效抑制缩减混叠现象，避免不必要的信息损失。较高的采样频率可以提供高的分辨率。但是高采样频率会占用大量内存和增加处理时间，耗费资源与增加研究周期，所以取到合适频率就好，不可一味追求高采样频率。有轨车辆的实际载荷时间历程频率在40Hz以下[5]，所以取500Hz进行采样。

6 信号处理

首先要对实测信号进行预处理，然后对其进行正式处理。测试仪器十分复杂现场条件较差，所以测试难免受到影响，得到与研究无关甚至有害的信号。因此需要对采集的信号进行预处理，包括：去除毛刺、去除零点漂移和滤波处理。电磁干扰或是台车架颠簸碰撞都有可能造成毛刺生成，毛刺信号往往频率较高，振幅较大而且十分随机，其对应力谱高频分量的影响十分大，所以为了应力谱的准确性与有效性就一定要去掉数据中的毛刺，去除毛刺信号前后对比如图6。由于在疲劳研究中，最重要的不是应力-时间历程中的过渡值点，而是峰谷值，峰谷值的数目与疲劳寿命有直接联系，所以要对极值点进行挑选，挑选前后比较如图7。横梁的工作环境温度变化相对复杂，车体也会有一定的温度变化。用来测试的电子原件在感受到温度变化后，就会出现一定程度的误差。其直接体现就是整个载荷谱随时间而偏离零点即产生零点漂移。如不去除则会影响到结果精度和加大后期处理难度。根据相关研究可推测台车架的激励应小于40Hz，而高于这一频率的激励对台车架的破坏有限，所以采用低通滤波滤掉40Hz以上的干扰信号。处理载荷时间历程的方法很多，但是目前应用最广的方法便是雨流计数法[5]。这一计数方法与材料疲劳损伤具有内在联系，雨流计数后的数据即可用于编制应力谱。

7 结语

本文运用有限元方法分析计算出了台车架疲劳关键处，由此制定了一套测试方案。详细介绍了信号采集、数据处理等内容、对应力谱的建立有指导作用，对台车架的设计与改进都有重要意义。

参考文献

[1] 张秋强，谭豫章，董兴宏.我国干熄焦技术的回顾与现状分析[J].燃料与化工，2010，41（5）：4-6.

[2] 李昆.冲击载荷下机械零部件疲劳分析方法及其应用研究[D].合肥：合肥工业大学，2013.

[3] 赵方伟.铁路货车车体载荷谱测试及疲劳强度评价研究[D].北京：北京交通大学，2015.

[4] 高云凯，方剑光，谢明聪.框架式重卡驾驶室疲劳分析与评价[J].同济大学学报，2012，40（5）：721-728.

[5] 张曙光.高速列车转向架载荷谱测试与建立方法的研究[J].中国科学，2008，38（11）：1806-1814.endprint