城軌車輛長期服役過程中關鍵部件疲勞壽命性能研究

權光輝,王 暉

(中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東 青島 266111)

城市軌道交通具有運輸量大、節能環保和乘坐方便舒適等諸多優勢,發展城市軌道交通成為促進城市交通發展、優化城市空間布局的重要途徑[1]。我國城軌車輛客流量大,運用條件復雜,線路多樣性強,其關鍵部件的疲勞可靠性面臨著嚴峻考驗。車體和轉向架構架均為城軌車輛系統中的關鍵承載結構,其疲勞可靠性對于車輛的安全運行至關重要。在城軌車輛長期服役過程中,轉向架構架強度不足引發的疲勞失效問題時有發生,包含電機吊座、齒輪箱吊座、彈簧帽筒、橫側梁連接部、橫縱梁連接部、垂向止擋座等部位。FU[2]、王斌杰[3-5]、謝樹強[6]等針對B型地鐵車輛轉向架構架出現的疲勞裂紋問題,在線路上實測了相關部件應力和加速度并進行了時域和頻域分析,結果表明輪軌激勵激發了構架產生高頻共振,導致疲勞裂紋發生,并在此基礎上提出了車輛和軌道線路的維護建議。

在城軌車輛實際服役環境下,開展動應力試驗是準確評估車輛部件疲勞強度的重要手段。張浩楠[7]基于長周期實測動應力數據編制了疲勞應力譜用于地鐵車輛轉向架構架疲勞強度評估。SEO 等[8]等通過靜載荷試驗、疲勞試驗和線路試驗評估了全尺寸城軌車輛轉向架構架的疲勞強度,結果表明某些位置的應力和應變呈多軸狀態。張震[9]以B型地鐵轉向架構架為研究對象,分析了構架動應力與運行條件的關系。

本文研究的國內某城軌地鐵,其線路是目前地鐵運營線路中客流量最大、運能最高的線路之一,特別在早晚高峰或節假日期間,滿載率高,乘載時間長,龐大的客流導致列車長期超載運營,這些因素對車輛部件的安全性提出了更高的要求。通過測試實際服役狀態下地鐵車輛轉向架、車體關鍵部位的動應力數據,可準確評估車輛結構的疲勞強度,同時為優化車輛運維策略提供數據支撐。

1 研究方案

1.1 有限元仿真計算

通過有限元仿真計算構架疲勞強度的關鍵部位的應力,進而確定動應力測點位置。加載位置和載荷工況按JIS 4207:2004《鐵路車輛 轉向架 轉向架構架強度設計通則》[10]進行。圖1為各測點應力均值和幅值分布Goodman圖,通過疲勞計算結果可知:超過非打磨焊縫疲勞強度許用值的位置有電機安裝座焊縫、一系彈簧座焊縫和空氣彈簧座焊縫,這些區域需要重點關注。

圖1 疲勞計算Goodman圖

1.2 線路測試

測試車輛為3動3拖的編組形式,分別選用Tc車1臺轉向架,M0-2車1臺轉向架和1輛車體作為研究對象,其中M0-2車轉向架為動車轉向架,Tc車轉向架為拖車轉向架,具體位置見圖2。

圖2 測試轉向架位置

動應力測點位置根據有限元分析結果和轉向架臺架試驗測得的應力數據確定,應變片布置在相應測點的主應力方向。由于焊接接頭具有易產生原始缺陷和形成應力集中的特點,極易出現疲勞損傷,測試布點時對焊縫位置進行了重點關注。如圖3所示,采用4個應變片組成全橋電路方法以有效實現對工作區域應變片的溫度補償,消除測試環境溫度對應力數據的影響。采用IMC數字式動態信號采集系統對動應力數據進行連續采集,采樣頻率設置為2 000 Hz,以保證測試數據的真實性。

ε1—工作片;ε2、ε3、ε4—補償片;Uin—橋壓;Uout—信號。

2 疲勞強度評估方法

2.1 應力譜編制

在實際運用條件下,動應力是一個隨時間變化的復雜歷程,在進行疲勞評估時首先將動應力的整個時間歷程整理成應力譜形式,采用雨流計數法進行循環計數處理。需要說明的是,結構的應力譜一般由若干級大小不同、循環次數不等的應力所構成。對于城軌車輛的轉向架構架和車體結構而言,取32級應力譜可以滿足并可靠地反映實際的動應力歷程。

2.2 等效應力幅值計算

與靜強度問題不同,結構疲勞強度是一個損傷不斷累積直至最后斷裂的過程。在變幅的載荷作用下,結構件不同位置的疲勞損傷逐漸累積,超出一定限值后發生斷裂,不同級別的應力水平均會對損傷產生影響。本文通過等效應力進行評價,考慮了不同應力級下的疲勞損傷貢獻,該等效應力可以反映當前車輛測試部件位置的工藝狀態、運用狀況和運用里程(運用時間)下的動應力。將計算所得的等效應力與可靠度下的疲勞極限進行比較,可以評估部件在一定的運用條件和指定可靠度下的疲勞強度。

本文采用Miner線性疲勞累計損傷法則和NASA推薦的S-N曲線計算等效應力,可合理考慮各個級別下應力對疲勞損傷的影響。等效應力的計算方法如式(1)所示:

(1)

式中:L為軌道車輛轉向架在規定使用年限內的總運用里程,取396萬km(每年運營12萬km,總壽命為33年);L1為實測動應力數據對應的公里數;σ-1ai為各級應力幅值;ni為不同應力級別對應的循環次數;m為S-N曲線參數,對于轉向架構架焊接結構,一般取為3.5,對于普通鋼的母材,一般取5;N為疲勞極限所對應的循環次數,對于焊接結構一般取200萬次,對于母材一般取1 000萬次。

2.3 疲勞強度評估判據

在進行軌道車輛部件疲勞強度評估時,國際上普遍采用許用疲勞極限作為判據。國內外對結構疲勞強度的研究表明,許用疲勞極限主要取決于材料的S-N曲線、表面系數、疲勞缺口系數等。本文參照JIS 4207:2004標準的要求,碳鋼焊縫不打磨時疲勞容許應力為70 MPa,碳鋼焊縫打磨時疲勞容許應力為110 MPa。

在進行轉向架結構疲勞強度評估時,比較各測點運行公里數的等效應力與許用疲勞極限,如果等效應力小于許用疲勞極限,則表示能夠安全運行。否則不能保證安全運行,需要降低運行公里數,即減小等效應力,直至其小于許用疲勞極限。

3 結果及分析

3.1 每日運行里程統計數據

對同一列車輛的每日運行里程進行統計,為后續等效應力計算提供數據支撐。車輛每日運行里程統計見圖4。由圖4可見,該地鐵列車每日運行里程最大值超過600 km,屬于國內運能較高、較為繁忙的地鐵線路。

圖4 每日運行里程統計

3.2 動應力與列車載重的關系

圖5～圖10為一天內不同測點的動應力測試數據與載重的關系曲線,其中載重數據為整列車的載重。

圖5 車體動應力與載重的關系曲線

圖6 軸箱體動應力與載重的關系曲線

圖7 空氣彈簧座焊縫動應力與載重的關系曲線

圖8 一系彈簧座焊縫動應力與載重的關系曲線

圖9 牽引拉桿座焊縫動應力與載重的關系曲線

圖10 構架橫梁和縱梁焊縫動應力與載重的關系曲線

由圖5～圖10可知:

(1) 車體牽引梁蓋板處動應力時域波形與當天載重變化規律一致;

(2) 轉向架構架測點軸箱體、空氣彈簧座焊縫、一系彈簧座焊縫動應力時域波形與當天載重變化規律一致,而牽引拉桿座焊縫以及構架橫梁與縱梁焊縫與當天載重變化規律不完全一致;

(3) 牽引拉桿座焊縫存在正負值交替變化的趨勢,分析原因應為車輛上下行交替運營,車頭和車尾交替,應力正負值發生變化所致。

以上結果表明,車體和轉向架典型部件關鍵位置應力幅值與列車載重具有強關聯性,長期大負載運行會增加車輛關鍵位置的動應力,從而影響車輛部件的疲勞壽命。

3.3 等效應力分析

圖11～圖13為構架及車體測點每日等效應力變化趨勢?？v梁與橫梁連接焊縫、牽引拉桿座焊縫的等效應力較大,最大值超過70 MPa。構架空氣彈簧座焊縫和一系彈簧座焊縫等效應力維持在較高水平。根據2.3節中的疲勞強度評估判據,需要對構架區域一系彈簧座焊縫、空氣彈簧座焊縫、牽引拉桿座焊縫、縱梁與橫梁連接焊縫等進行打磨處理。

圖11 縱梁與橫梁連接焊縫、牽引拉桿座焊縫等效應力隨日期的變化曲線

圖12 構架空氣彈簧座焊縫、一系彈簧座焊縫等效應力隨日期的變化曲線

圖13 車體蓋板焊縫等效應力隨日期的變化曲線

各測點等效應力變化規律基本一致,由于受假期限流影響,地鐵載客量明顯減小,故各測點當天等效應力均明顯降低,其余時間段除車體測點外,其他測點均處于高應力水平。

4 結論

本文跟蹤測試了長期服役狀態下某地鐵車輛轉向架、車體關鍵部位的動應力,獲得了動應力與列車載重變化的關系,依據Miner線性疲勞累計損傷法則計算了各測點的每日等效應力,結論如下:

(1) 車體和轉向架關鍵部位處的應力幅值與列車載重具有強關聯性,長期大負載運行增加了車輛關鍵位置的動應力,影響車輛關鍵部件疲勞壽命。

(2) 轉向架構架縱梁與橫梁連接焊縫、牽引拉桿座焊縫位置的等效應力較大,最大值超過70 MPa,構架空氣彈簧座焊縫和一系彈簧座焊縫位置等效應力維持在較高水平,必須對關鍵焊縫進行精細打磨處理。