基于UIC—ORE准则的转向架构架疲劳试验研究

李伟 傅志红

摘 要：转向架构架对于列车的安全稳定行驶具有至关重要的作用，为实现对单轨高架游览车转向架构架的疲劳寿命校核，本文依据UIC-ORE标准，对在轨运行的列车构架进行应力测量，通过处理得到了有效的应力循环，并结合几何模型、材料属性在MSC.Fatigue软件中进行了疲劳校核，计算结果表明该转向架的疲劳强度满足要求。

关键词：转向架构架；疲劳寿命；UIC-ORE

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.008

1 引言

轨道交通所使用的车辆部件，由于加工工艺很多为焊接，且在运行过程中受到复杂的外部载荷，导致在长期的运行过程中容易出现一些局部缺陷或者残余应力。在这些情况下，甚至不超过许用载荷的外力会致使构件发生破坏，危及列车的平稳运行。一般而言，把这种材料在这种长时间的循环非恒应力或非恒应变作用下发生局部的不可恢复的强度变化，最终一致形成裂纹或导致构件失效的现象，称之为疲劳。疲劳与普通的短时间丧失强度属性不同，这种现象的发生，一方面，由于材料自身在加工之时存在一些残余应力或者缺陷；另一方面，与某一长期作用的应力集中有关。

大量文献表明，疲劳破坏对于机械零件失效的贡献很大，有50%～90%的事故是由于疲劳失效所导致的。由于单轨高架游览车是一种在室外运行的列车，其运行条件复杂，且由于人员的上下导致车辆保持运行在循环载荷下，其在长时间工作下的疲劳寿命也是研发人员所关心的一个关键问题[1]。而作为列车的主要承载构件，转向架构架需要承受车辆的垂直载荷和预应力。在长期的、复杂的交变应力作用下，构架将产生一定的疲劳损伤，而随着时间的发展，构架可能在未达到材料强度极限的应力作用下而发生结构破坏[2]。所以，列车设计时针对特定载荷下的转向架构架疲劳分析和寿命预测对车辆的长期平稳安全运行至关重要。

本文针对中车集团研制的单轨高架游览车，采用现场实测的方法对实际工作环境中运行列车行走部的铰接式转向架构架的应力状态进行检测，采用雨流计数法对实验结果进行分析，从而提取载荷谱实现基于UIC-ORE标准的转向架构架疲劳校核。

2 UIC-ORE标准

2.1 UIC-ORE标准简介

UIC标准是一种旨在促进国际间铁路行业交流合作而发布的一系列标准，这些标准包括铁路设计、施工、运行、维修，车辆和安全的一列规范[3，4]。UIC615-4标准是用来专门指导转向架强度研究的规范，这一标准中包含了众多力学实验，其中疲劳试验的测试目的是确定转向架的寿命、评估安全裕量、检查静强度没有识别的隐藏的弱点。

2.2 UIC-ORE疲劳评定具体流程

在机车车辆承载结构设计阶段，其疲劳强度的考核主要依据相关设计和试验标准规定的计算载荷和载荷工况实施，疲劳强度评定流程如下[5]。

（1）确定承载结构的计算载荷和载荷工况；

（2）按力学方法或有限元方法计算每个载荷工况下结构的应力分布；

（3）按一方法將不同载荷工况下的多轴应力转化为单轴应力；

（4）按式确定结构不同位置的平均应力、应力幅或应力比；

（5）绘制材料的修正的曲线，并将上一步中的计算值投入其中进行疲劳评估。

3 载荷谱获取试验

载荷谱是疲劳寿命估算的三大要素之一，其代表了列车在特定行驶环境下所受到的应力-时间历程。载荷谱一般受到运行条件、使用情况、结构特性的影响，而这些因素又相互影响，其关系如图1所示。

能否正确获取到有效的载荷谱将极大地影响疲劳分析结果，一般而言载荷谱的获取主要通过两种方式，现场实测和模型仿真。本文采用现场实测的方式，获取单轨铰接式游览车在实际工况下的载荷变化情况。

3.1 试验系统

试验系统主要由应力应变采集装置（电阻式应变片、端子片）、德国IMC devices数采系统、存储与分析系统（计算机）、屏蔽系统（屏蔽信号线）等组成。

3.2 试验方案

由于此次设计的转向架为新型转向架，没有较多经验可以遵循。在进行现场实测前，应对转向架构架的受力状态进行分析，以得到列车运行过程中的最危险点，从而有针对性地获取具有代表性的载荷谱。通过建模、划分网格等过程得到了在该种列车在6种典型工况（满载静止工况、转弯工况、制动工况、牵引工况、转弯制动工况、转弯牵引工况）下的应力、应变分布云图和模态分析结果。

计算结果表明，在转向架构架的主体与支架连接处最为危险，因此，在进行在线路轨测试的过程中，应采集的部位为横梁立板上（图2、图3）。对于整车而言，为采集的科学合理和便于分析，系统应该被安放在首节车厢的首个动力转向架上。

将与系统连接好的应变片紧贴在横梁右端，在经过一天的应力消除期后，进行试验。试验所用的应变片通过一根4芯的屏蔽电缆与数采系统相连，连接方式采用半桥接法（如图4），数采系统处理出来的数据通过线路连接至存储与分析系统，并可以通过专用软件进行显示与处理。

为保证试验数据的可靠性，试验在一条铺设好的景区观光游览线上进行，该条游览线全长10.46km，适用于单轨的PC混凝土材料浇筑，线路的爬坡最大坡度为55‰，曲率最大段的曲线半径正线为90m，站线为40m。试验车辆运行的速度为标准速度，15km/h。

3.3 结果处理与分析

一般情况下，构件所受的每个应力循环均不一致，即不会出现相邻两个完全相同的波峰（或波谷），那么就不可能用相邻的波峰和波谷来反映全部的信息。所以应该找到一种循环计数法来对应力循环进行相对完整的样本记录，以便获取有用的循环载荷历程，达到对构件的疲劳分析与寿命预测。基于统计学，循环计数法可分为单参数法和双参数法。这两种方法的主要区别在于分析考虑载荷循环中的一个还是两个参数。由于单参数只考虑一个变量，不足以反映疲劳分析所需的全部信息，因此通常采用双参数法。双参数法的代表有极大-极小计数法、雨流计数法等。当前，用于疲劳分析的较为流行的方法是雨流计数法。

为便于实现载荷谱的获取，采用MALTAB对测得的载荷谱进行提取。MALTAB是一款强大的数值分析软件，其设计十分有利于数组的计算，因此特别适于雨流计数法的应用。本文也采用其以雨流计数法为基础，运用MALTAB对随机载荷谱进行计数。对列车运行中的载荷谱随机取出一段曲线（图5），进行标准化，然后用编写的MATLAB程序进行处理。

在这里使用了一段列车运行中的历时1000多秒的载荷谱，采用雨流计数法在MATLAB中的自编程序对于载荷的预处理。从图6可以看到，经过预处理，所有有效的载荷循环皆被保留下来了，而长达300多秒的无效幅值被去除，这样的处理为后面的程序快速运行打下了很好的基础。

本文采用雨流计数法对载荷数据进行处理，提取得到了三个方向上的载荷谱，通过式1合成能够得到Von-Mises应力。通过对转向架构架的载荷谱进行应力值提取，可以得到列车测试点在不同工况下的应力值，如表1所示。

（1）

式中，分别为三个方向的主应力。

在这6种工况下，牵引制动工况所造成的转向架构架的应力集中最为明显，满载静止工况的应力集中最为不明显。此外，在这些工况下的应力值均未超过材料的许用应力（340MPa），实测得到的最大应力为295.2MPa。同时通过对比两种方法所得到的结果可看出，有限元的计算值与试验值吻合较好最大偏差不超过3%，故认为数值模拟与现场试验均较为合理，计算结果均具参考价值，适合作为后续疲劳寿命分析的的参考依据。

4 疲劳校核

一般来说，疲劳寿命的预测与疲劳分析只需要三大要素──载荷、几何模型、材料属性。通过将静力学计算结果、材料的疲劳特性、现场实测的载荷谱输入MSC.Fatigue软件进行基于UIC-ORE准则的疲劳分析，便可以得到构架各处的寿命分布云图，如图7、8所示。

表2为危险节点的疲劳分析结果，可以看出表中最危险的节点为487485，对应着构架的横梁立板。该节点长期循环2.587E5次即会出现破坏失效，参照列车的实际使用情况（按照单轨高架游览车每天运行10次计算），将循环次数换算成相应的运营时间为70年，远大于设计服役年限。

5 小结

为校核单轨高架游览车转向架构架的疲劳寿命，本文在对进行UIC-ORE标准简要介绍的基础上，进行了基于UIC-ORE标准的疲劳评估。为对真实条件下的转向架受力过程进行了解，采用德国IMC devices数采系统对运行线路的车辆构架载荷谱进行测量，并通过对载荷谱进行处理，提取了有效的应力循环，最后利用简化处理后的载荷谱采用MSC.Fatigue軟件进行了疲劳校核，计算结果表明该转向架的疲劳强度满足要求。

参考文献：

[1]朱兴高.跨座式单轨车辆转向架结构分析[D].重庆交通大学， 2011.

[2]霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定[M].机械工业出版社， 2000.

[3]胡方阳.基于谱载荷地铁动力转向架构架疲劳强度研究[D].西南交通大学，2011.

[4] Fendrich L.UIC/ORE EXPERIENCE IN MEASURING AND ASSESSING TRACK FATIGUE AS A CONSEQUENCE OF INCREASING AXLE LOADS[C].The Workshop on Heavy Axle Loads.1990.

[5]米彩盈，李芾.焊接转向架构架疲劳强度评定的工程方法[J]. 铁道机车与动车，2002（06）：11-14.

[6]杨亮亮，张尚敬，傅茂海等.基于随机载荷谱的构架疲劳强度研究[J].铁道机车车辆，2013，33（02）：21-25.

作者简介：李伟（1982-），男，湖南常德人，本科，工程师，研究方向： 机械制造及其自动化、模具及装备。