关于提速货车转向架交叉支撑装置寿命的研究

刘世军

摘 要：随着科研水平的提高和科学技术的发展，为铁路货车提速提供了可能。本文通过应力测试得出了交叉支撑装置的载荷情况，结合杆身中部疲劳薄弱部位在实际的线路运行中的载荷情况和受损情况，为交叉支撑装置的室内疲劳试验提供了可靠依据。从疲劳薄弱部位的室内疲劳试验应力谱进行分析，以应力寿命曲线来分析交叉支撑装置疲劳薄弱部位的使用寿命，再根据等效原则，建立了交叉支撑装置寿命预测的模型，能够得出疲劳试验加载次数和交叉支撑装置的实际运行里数的对应关系，对铁路货车的运行情况进行有效监测，大大提高了铁路运输的安全性，有利于我国铁路运输事业的发展。

关键词：提速货車 交叉支撑装置 寿命 研究

中图分类号：U270 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（a）-0107-02

从国外铁路货车运行的经验来看，交叉支撑装置能够显著提高货车的抗菱刚度，进而改善车辆的动力学性能，提高车辆运行对策安全性和临界速度，能够满足我国铁路货车的提速要求。

为了保证交叉支撑装置的性能安全，需要对交叉支撑装置的运行情况进行分析，评估装置的疲劳情况，确定装置的损伤情况和疲劳寿命。目前，对交叉支撑装置寿命评估一般是采用室内评估试验方式，通过一定的加载循环次数进行评估。但是该种评估结果不能明确得出装置的运用里程。因此，为了解决该项技术难题，可以采用动应力测试的方法，对装置的损伤情况进行分析，进而确定装置的运用里程和疲劳试验的加载次数之间的关系。

本文以某线路上的交叉支撑装置作为测试对象，进行动应力测试，以加载识别的方法进行评估，对交叉支撑装置的运用里程和疲劳试验的加载次数之间的关系进行探讨。

1 动应力测试和交叉支撑装置载荷分析

1.1 动应力测试

动应力测试目标在于为室内疲劳试验创造一种与实际运行工况相近的载荷谱，确定该交叉支撑装置的使用寿命。为了能够给室内疲劳试验创造一种与实际运行工况相近的载荷谱，应对该交叉支撑装置进行载荷识别。对需要进行的载荷识别进行分析，区分载荷的不同性质，在离端头约670 mm的断面上设置测点，因为该处的应力梯度较小且应力信号较大，沿着该交叉支撑装置布置测点。同时，为了估算出该交叉支撑装置的杆身疲劳寿命，应该对杆身中部的疲劳薄弱部位进行测试，即应在接环焊缝处布置测点。如下图的1～5测点。根据此前的交叉支撑装置的杆身动应力测试的结果来看，在杆身断面上，应在截面的上下沿交叉杆中设置轴线且应在垂直环焊缝除贴两个应变片。如下图的6、7测点。

从以上测点进行分析，可以得出一个应力时间历程。根据1～5测点数据来看，该测点数据可以应用在载荷识别中，而6、7测点数据则主要应用于估算疲劳寿命。在该线路运输过程中，通过6、7测点的连续应力时间历程得到雨流计数，可以编制出应力谱，因为6测点动力应力比7测点大，因此，在表1中编制了6测点产生的8级应力谱。

1.2 载荷分析

通过受理、力分析，可以得知交叉支撑装置的以上4种待识别的载荷分别为横向力Q、垂向力P、轴向力R、扭矩M。结合图1的断面来看，以材料力学理论对1～5测点分布情况进行分析，可以得出以上4种载荷和测点应力之间的关系：

横向力

垂向力

轴向力

扭矩

在该式中，d1、d2分别是交叉支撑装置内外径，分别为48 mm、38 mm，σ1～σ5为1～5测点的应力值。W弯是弯矩模的大小，W扭是扭矩模的大小，L为断面与杆端之间的距离，为670 mm。将以上各测点实测的应力时间历程和参数值代入到以上公式中，可以得出交叉支撑装置的4种载荷时间历程，由此编制出交叉支撑装置的载荷谱，如表2～表5。

2 室内疲劳试验

2.1 载荷确定

疲劳试验采用的是齐车公司和上海同济大学设计的装置。该装置通过对交叉支撑装置施压，从垂向位移和轴向位移情况来模拟了交叉支撑装置实际载荷情况，由表2～5交叉支撑装置的载荷谱可知，轴向荷载确定为±35 kN，且垂向的位移应为±5.3 mm，将加载次数定为200万次。

2.2 应力谱

在上述加载装置的运行过程中，对该交叉支撑装置进行了改进，进行了200万次的室内疲劳试验之后，仍然能正常运转。但如果要确定室内疲劳试验的加载循环次数和交叉支撑装置的实际寿命之间的关系，还应进行疲劳试验，在装置的疲劳薄弱部位进行室内疲劳试验。在改进的室内疲劳试验方案中，采集了杆身中部的对接环焊缝处的6测点的动应力数据，编制了6测点疲劳试验的应力谱，如表6。

3 实际运行寿命和室内加载次数分析

为了确定室内加载次数和交叉支撑装置的实际运行寿命之间的关系，还应该对构件损伤进行计算。构件损伤指的是疲劳初期材料的内部细微变化情况和裂纹形成及扩展情况。在随机和变幅加载中，构件的疲劳损伤是由于不同幅值和不同频率荷载产生的损伤，经过逐渐的累积过程而形成的结果。截至目前，已经明确指出的累积疲劳损伤有几十种之多，以线性累计损伤法则来看，由于其使用方便，形式简单，因而在工程中广泛使用。本文也采用这种方法进行计算。

3.1 损伤计算

根据线性累计损伤法则，交叉支撑装置室内疲劳试验的应力谱的损伤应为。其中，ni是应力中的某级应力水平在试验过程中出现的次数；Ni是某级应力水平下该构件的使用寿命，由应力寿命曲线来确定。其曲线方程如下：。在该式中，N为疲劳试验的循环加载次数，取值为2×106。σ-1为杆身中部的对接焊缝的试验值，再经过了2×106次的疲劳试验的情况下，得出该处的疲劳极限。σ-1取值为82.6MPa，m是该曲线方程的系数，以该焊接接头来说，一般取值为3.5。由此可以得出：，再将表6的各级应力值带入到该式中，可以计算出交叉支撑装置6测点在室内疲劳试验的损伤为0.8491。再根据表1，可以计算出在该段线路中，将L取值为1973 km，则6测点的实测损伤应为0.001689。

3.2 寿命确定

为建立起一套疲劳试验加载次数和交叉支撑装置的实际运行里数的对应关系，以等损伤原则为依据，计算出了在200万次的室内疲劳试验中，其对应的实际运行里数如下：。由于测点6为杆身中部的对接环焊缝，是该交叉支撑装置最薄弱的部位，因此，对该部位寿命的计算可以得出整个交叉支撑装置的寿命。基于这一理论，可以得知，交叉支撑装置在200万次的室内疲劳试验中，与实际运行100万km的线路应具有同等作用。

4 结论

对提速货车转向架的交叉支撑装置运行情况进行分析，通过室内加载试验的方法，以应力分析和加载分析方法，能够得出交叉支撑装置实际运行里数和室内加载次数之间的关系，为货车提速提供了参考意见。在提速货车的交叉支撑装置中，分别布置了若干个识别点，通过观察计算，得出了该交叉支撑装置在实际运行过程中的4种载荷条件和载荷谱。其中，最大的横向力是225.04N，最大的垂向力是1039.40N，最大的轴向力是35.64N，最大的扭矩是288.49N，这些载荷数据分析为室内疲劳试验的加载情况提供了参考依据。

在工程结构运用中，以等损伤原则为依据，建立起一套疲劳试验加载次数和交叉支撑装置的实际运行里数的对应关系。得出了交叉支撑装置在室内疲劳试验200万次加载中，与线路实际运行100万km的损伤情况相等，这些为以后的交叉支撑装置运行情况和检修提供了科学的参考依据。

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