高速列车车下设备舱底板的可靠性研究

王宏

摘要：随着我国经济水平的不断提高和综合国力的提升，动车事业得到了迅猛发展，推动了我国交通事业的发展，拉动区域经济，缩小贫富差距。目前，我国高速列车营运速度为330千米每小时，最高时速可达380千米，运营速度位居世界前列。高速列车引进中国后，在车下设备舱底板可靠性研究领域还不成熟，大多数设计师则凭借自身的设计经验对高速列车车下设备舱进行研究和探索，由于高速列车车下设备舱底板的零部件没有可靠的评估方式，只能对其进行寿命试验。基于此，本文对高速列车车下设备舱底板的可靠性进行深入的研究并分析了我国高速列车的现状。

关键词：高速列车;设备舱底板;可靠性;疲劳试验;数据处理;现状

0  引言

高速列车车下设备舱底板会受到地面气动效应的影响，且该影响具有非周期性的特点。地面气动效应即翼面效应，是指当运动速度较快的物体与地面之间形成的空气动力干扰，常发生飞机、汽艇、动车和汽车运行过程当中，会对其安全性造成负面影响。因此应该采用相应的技术对高速列车车下设备舱底板进行疲劳试验，提高其安全性与可靠性。目前我国关于高速列车地面气动研究虽然取得了一定的成就，但仍处于发展阶段，数据处理技术和疲劳试验技术的应用还不成熟，跟西方发达国家相比还存在一定的差距[1]。本文对我国高速列车的现状、设备舱结构特点、疲劳试验及其影响因素和数据处理技术进行了深入的分析和研究，基于我国现状，我国铁路事业发展要以创新为主，在外来技术引入消化吸收的基础上实现再创造，最终在动车事业中实现中国创造与中国制造。

1  我国高速列车发展现状

近年来，我国动车事业飞速发展，仅仅用了几年的时间走完了几十年的道路。2007年，CRH高速列车在引进日本技术的基础上进行了符合中国的技术创造，迈出了我国自主研发的第一步，标志着中国高速列车进入全新时代[2]。我国铁道部坚定不移的坚持走引进消化再创新的自主创新道路，不断提高动车自主创造能力和制造能力。我国铁路事业虽然在短短几年内取得了飞速进展，但是跟发达国家动车组创造技术仍然存在很大的距离。

2  高速列车设备舱结构特点

设备舱具有保护车下设备的重要作用，符合空气动力学的特点，提高了列车运行性能和效率，因此设备舱底板的疲劳试验是至关重要的。目前我国高速列车车下设备舱结构较为复杂，包括端板、裙板、骨和底板等。车下设备舱底板是重要的结构组成部分，其主要材料为不锈钢，形状为波纹状，两侧结构较为特殊，翻边设计的主要目的是提高车下设备舱的强度，设备舱连接结构主要有底板与底架相连，端板与端骨架相连，纵向骨架与裙板相连，横向骨架与裙板相连，此种连接方式和结构能够减少底板材料的使用，还能达到减轻动车车身重量的目的。设备舱中的裙板材料主要有铝合金等，裙板的连接方式复杂，虽然厚度较小，但是强度与刚度较高，在不经常维修和检查的地方设置通风口并焊接到裙板上，能够起到保护散热和保护车下其他设备的重要作用。

3  设备舱结构三维模型

三维结构模型是指将高速列车的设备舱用实体进行三维展现的过程，三维建模功能在设备舱结构的了解中具有至关重要的作用，为本文后续高速列车车下设备舱底板的疲劳试验提供了良好的技术基础，能够帮助相关工作人员更好的了解高速列车车下设备舱的整体结构，明晰各结构之间的关系。目前我国高速列车车下设备舱的组成结构较为复杂，主体结构主要有骨架、裙板以及底板。三维建模软件能够与其它软件实现数据的链接，从而实现各数据软件与三维建模软件各项数据信息的交换，为三维建模提供更加准确真实的检测数据，从而实现设备舱的三维建模，不仅节省了数据记录和传送所需要的时间，节约人工成本，还在很大程度上提高了工作效率。在进行三维建模时相关工作人员应该坚持于组合模型相一致的基本原则，不得随意更改试验组合中模型的相关数据，在各结构连接方式模型建立的同时要符合高速列车车下设备舱底板的实际结构，连接内容主要包括骨架、裙板、底板与骨架之间的连接方式，坚持三维建模与实际情况相一致的基本原则。在完成设备舱三维建模之后应该加强有限元模型的应用，有限元模型的应用能够清晰的反映出其具体的受力或变形情况。

4  高速列车车下设备舱底板疲劳试验

高速列车车下设备舱底板疲劳试验主要包括四个内容，即实验目的、测试条件、测试对象和试验台及加载方式。

第一，高速列车车下设备舱底板疲劳试验目的是通过实验检验其可靠性和安全性，正确精准评估高速列车车下设备舱受地面气动效应的影响与使用寿命。

第二，疲劳试验的测试条件包括测试环境，即在试验台下进行。

第三，疲劳试验测试对象与测试内容[3]。測试对象为高速列车车下设备舱组合模型，将裙板、端板等模拟零部件组合为一个基本框架，模拟动车运动时状态，测试其承载状况，根据实验所得数据进行适当的加载试验，同时对各零部件进行布点测试。

第四，试验台加载方式。试验台加载是疲劳试验中的重要试验环节，是检测起高速列车车下设备舱底板使用寿命的主要手段。将组合好的车下设备舱模型倒放在地上并予以固定，固定后对两侧裙板进行施压，放置作动器、钢板加载等来模拟设备舱底板受到的地面气动的实际场景。疲劳试验具有简单易操作、可视化等优点，真实展示了高速列车车下设备舱底板与地面的气动效应，有助于提高工作效率，提高其可靠性与安全性。

5  在疲劳试验中影响疲劳强度的主要原因

5.1 机械零件结构因素

在疲劳试验中涉及到多种机械零件，而不同机械零件具有不同的缺口，例如拐角、槽沟等，这些缺口会集中应力，集中应力后会使机械零件的局部应力升高，机械零件原材料由于具有一定的延展性使得局部应力均匀化，因此静强度与机械零件缺口无明显关系。但是在疲劳试验环境下，机械零件上的拐角和切口等缺口受到的应力强度达不到该材料的延展条件，跟正常环境下相比缺少应力重新分配的过程，使得试验过程中应力受力不均，机械零件缺口处应力集中的疲劳强度与平滑处不同，增加了疲劳试验的难度，是影响疲劳强度的主要因素之一，因此在进行疲劳试验设计时应充分考虑机械零件结构对实验结果的影响[4]。此外，机械零件尺寸也是影响疲劳强度的主要原因，如果零件尺寸大，则疲劳强度降低，因此被称为尺寸效应，在实验前根据实际情况确定实验机械零件的尺寸，减少其对实验结果的影响。

5.2 试验环境因素

实验环境是影响疲劳试验疲劳强度的重要因素。大部分疲劳试验是在室内完成的，使用MTS疲劳试验机，由于试验模拟的电路工况需要比实际情况复杂，施加载荷要大于正常值，预估动荷系数范围，在此试验环境下可以达到百分之九十的可靠性。在实验过程中载荷数值不能过大，这样会对设备舱骨架造成损耗，因此一般疲劳试验次数约为一千万次，预定载荷值为1.6KN。精准的预估数据和良好的试验环境是疲劳试验的基础，也为技术工作人员提供了较为精准的数据，大大提升其工作效率，有助于提高我国高速列车的运行质量和运行效率。

6  试验过程涉及的数据处理技术

6.1 小波数据处理技术

小波数据处理技术是一个剔除较小应力波形的过程。应力波形是疲劳试验过程中产生的相关数据，在实验过程中会产生大量的应力波形小循环，这些应力波形对疲劳试验数据几乎不产生任何影响，因此在数据处理的过程中需要将其剔除掉，已达到减少数据处理工作量的目的，缩短试验时间，提高效率[5]。目前我国用于高速列车车下设备舱底板疲劳试验的小波数据处理值为5MPa。

6.2 滤波处理技术

滤波技术通常应用的是数字滤波器，数字滤波器可以将有规律的干扰频率进行分析和滤掉。在氣动效应试验过程当中，周围信号会对实验的准确性产生影响，当干扰出现规律的时候我们可以利用数字滤波器对干扰信号进行分析处理，找出频率范围并进行屏蔽。数字滤波器有四种频率选择，会根据干扰频率的范围做出相应的调整，简化实验数据，提高实验结果的准确性[6]。对于实验中出现的加速度信号滤波技术不进行相应的处理，原因是加速度的信号强度要远远高于应力信号，因此相关工作人员要根据具体情况选择合适的滤波处理技术。此外，相关工作人员在研究疲劳寿命时应该选择适当的峰谷数值，着重关注试验过程中产生的最大值和最小值。

7  结束语

综上所述，高速列车车下设备舱底板的可靠性研究对提升我国动车运行速度、运行质量和运行效率具有重要的作用。疲劳试验是检验动车车下设备仓底板安全性与可靠性的重要措施，铁路相关技术工作人员在设计试验前要充分考虑到设备舱机械零件结构、环境因素对实验结果的影响，提高实验结果准确性，在实验过程中充分运用小波数据处理技术和滤波数据处理技术，缩短试验时间，简单试验过程，提高工作效率。基于我国动车事业发展的现状，要致力于自身技术的研发和应用，减少对国外核心技术的依赖，加强自主创新，加强铁路相关专业技术人员的培养，促进我国交通事业又好又快发展。

参考文献：

[1]闫旭东.高速列车车下设备舱底板的可靠性研究[D].北京交通大学，2017.

[2]朱玉晗.高速列车车下设备舱底板的可靠性研究[J].环球市场，2017，21（036）：394-394.

[3]张富兵，刘潮涛，邬平波，高速列车设备舱底板的振动特性研究[J].振动.测试与诊断，2019，39（01）：190-196.

[4]许飞.标准动车组车体和设备舱应力特征和可靠性分析研究[D].2018.

[5]宋红.高速列车设备舱底板折边气动阻力和底板刚度分析[J].计算机辅助工程，2018，20（2）：7-10.

[6]孙彦.高速列车设备舱底板折边气动阻力和底板刚度分析[J].计算机辅助工程，2019（02）：10-13.