焊接转向架构架线路载荷的特征与应用研究

焊接转向架构架线路载荷的特征与应用研究

于海源孙伟李建郑世伟

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛266000）

摘要：不断发展的社会需求促进了铁路车辆运输能力的提高，并催生了大量的新型轨道车辆产品，但同时也使车辆的安全运营问题面临前所未有的挑战。客车车辆多采用焊接式构架，作为转向架的主体框架结构，其疲劳强度直接关系到车辆的安全运行。载荷是构架疲劳强度及可靠度分析的基础，大量线路测试试验表明，依据铁路行业标准UIC，JIS，TB等确定的构架载荷与构架在线路上实际运行时的载荷有较大差异。因此，依据标准规定载荷进行构架疲劳强度评估的结果可能与构架实际的疲劳损伤情况有所偏差。

关键词：焊接转向架构架；线路载荷测试；疲劳强度评估；台架试验载荷谱编制；疲劳损伤影响程度

引言

为了研究焊接转向架构架在实际运用情况下的线路载荷特征以及建立线路载荷与结构疲劳损伤的关系，本文在自然科学基金“高速列车转向架结构损伤一致性载荷谱建立方法与试验验证”的支持下，对焊接转向架构架的线路载荷测试、线路载荷特征分析、构架实际运行条件下的疲劳损伤评估、基于线路载荷的台架试验载荷谱编制、线路载荷对构架的疲劳损伤影响程度等多个方面开展了研究。

1工程意义

随着中国高速铁路的不断发展，各区域间构建起了运力大、方便快捷的铁路运输网，这极大地促进了各地区经济的发展和文化的交流，体现了铁路作为国民经济大动脉的重要地位和作用。根据我国铁路“十二五”规划川，到2015年，全国铁路营业里程达12万公里左右，其中西部地区铁路5万公里左右，复线率和电化率分别达到50%和60%以上，贯通北京到哈尔滨（大连）、北京到上海、上海到深圳、徐州到兰州、上海到成都等“四纵四横”的高速铁路网，有序建设中途城市之间的快速铁路，规划建设短途城际铁路，这些使我国的铁路应用与发展走在了世界前列。铁路的发展必然带来铁路车辆的更新换代，在引进外国高铁技术的基础上，我国主要铁路车辆厂先后推出运营时速300km/b的380A/AL，380BBL，380C等型号高速列车，以及更高时速试验列车等性能优良的高速动车组产品。2015年下半年，中国标准动车组也己研制成功，进入线路试验阶段。随着车辆速度的提高和运力的提升，高速列车的安全服役问题将面临着前所未有的挑战。

2构架疲劳强度评估

疲劳强度评估是指构架结构的每一个部位在整个寿命期的运用过程中都不出现疲劳破坏。疲劳评估的方法是获得线路实测的应力幅值和循环次数的应力谱信息后，需要了解构架在不同的应力水平下发生疲劳破坏所经历的应力循环次数。或者说，需要了解构架在不同的循环次数条件下，可以施加的最大应力幅值（称为疲劳极限）。疲劳应力幅值与发生疲劳破坏对应的循环次数的关系曲线，称为S-N曲线。采用Miner线性累计法则对实测应力谱进行处理，结合S-N曲线，便可对构架的疲劳强度进行评估。焊接接头是构架结构中最薄弱的部位，因此焊接接头的S-N曲线便成为构架疲劳强度评估的关键。哈大线高铁冬季运营温度最低可达零下20度，由于焊接接头对温度的敏感效应，因此低温下的焊接接头的疲劳性能与常温不同，需要采用低温S-N曲线进行疲劳强度评估。

通过实例讨论了截断奇异值法能够改善反问题误差放大问题的原因。对方程直接求解时，测试误差大小有差异或者误差方向不同时，计算结果误差非常大，最大可将测试误差放大的倍数为条件数，如果条件数过大，会导致计算结果的错误。采用截断奇异值法消除该部分的误差放大倍数，避免计算错误的出现，但截断奇异值法的局限性在于会对计算结果带来一定的误差，该实例中误差大小为22.4%。另外，当传递矩阵的列向量处在不同量级时，对于小量级的计算结果有错误，截断奇异值法也不能对这种情况的计算结果进行优化。

3焊接构架线路载荷识别方法研究

在动态环境中使用的焊接结构总是受到疲劳问题的困扰，尤其对于载客的轨道交通车辆来讲，车辆上承载焊接结构的疲劳问题直接关系到乘客的生命安全。从疲劳问题的研究成果来看，从载荷入手解决疲劳问题是一种非常有效的方式，因此，结构载荷识别在诸多工程领域都展开了广泛的研究。焊接构架是轨道车辆的关键承载部件，由于焊接构架自身结构与所受的线路动态载荷状况都比较复杂，载荷识别问题较难解决，目前还没有完备的动态载荷识别方法。因此，焊接构架的线路载荷识别方法需要进一步研究。本章围绕焊接构架线路载荷识别问题，系统研究并分析与工程应用联系较为紧密的动态载荷识别方法：针对不同载荷识别方法在焊接构架线路载荷识别中的应用展开研究，为下一步构架线路载荷的测试提供理论依据。

3.1直接测试法

直接测试法是将测力传感器直接嵌入到被测结构中，直接获取结构工作时的载荷信号。这种载荷测试方法要求测力传感器易于安装到被测结构上，既不能改变结构的主体结构，也不能影响结构的正常使用。许多情况下，由于结构中没有足够的空间或合适的位置安装测力传感器，使直接测试法的应用受到限制。

目前测力构架己在构架线路载荷测试中进行了大量应用，基于测力构架的测试及研究经验，得出以下测力构架的制作原则：1）载荷识别测点处的载荷祸合度越低越好，即每个载荷识别测点应尽可能受较少载荷的影响。因此载荷识别测点不能随意选取，而是通过统筹的优化分析来确定，这样可以有效提高载荷测试精度；2）载荷传递矩阵必须准确，这直接影响载荷识别结果是否可靠。因此在传递矩阵标定试验时，构架的约束工装、载荷施加方式等各方面，都应该与构架实际运用的约束条件、所受载荷形式等相一致；3）构架疲劳损伤关键部位的动应力也应进行测量，用来分析载荷对构架疲劳损伤的影响程度。测试过程中，应该保证动应力信号与载荷信号同步采集。综合对比上述几种构架载荷的识别方法，直接测试法、准静态法及测力构架法是应用最广泛的方法，可以满足工程结构的强度评估需求，基于应力响应的动态载荷识别方法能够提供更准确的动态载荷高频信息，可以为进一步的载荷分析提供有力的技术支持。但是目前用于大型工程结构载荷标定的设备主要处于准静态标定的技术水平，囿于医乏高频动态标定设备而使该方法尚不能广泛应用，但本文的试验研究结果表明该方法具有良好的工程应用前景，因此有理由相信随着载荷标定设备技术水平的发展，该方法会得到广泛的应用。

结束语

在国家自然科学基金项目“高速列车转向架结构损伤一致性载荷谱建立方法与试验验证”的支持下，本文以高速列车转向架焊接构架为研究对象，用线路试验和理论分析相结合的方法，针对转向架构架的线路载荷特征分析这一科学问题展开研究，主要包括焊接构架线路载荷识别方法、实测线路时频域特性分析、损伤一致性等效应力幅值评估方法、台架试验载荷谱编制方法、线路载荷对构架疲劳强度的影响评估方法等多个方面。客车转向架焊接型构架在实际运行时所受载荷数量较多，各载荷又祸合在一起共同对结构的疲劳损伤产生影响，不同的车型所采用的构架形式也可能大不相同，因此焊接构架载荷研究是一个复杂且困难的研究问题。但是随着中国标准动车组的发展节奏，焊接构架的载荷研究又是一个非常重要、迫切需要解决的问题，还需要更多、更系统的研究工作。

参考文献：

[1]王萌.焊接转向架构架线路载荷的特征与应用研究[D].北京交通大学，2016.

[3]王建斌.高速动车组转向架构架强度设计与试验验证[D].西南交通大学，2010.