焊接转向架构架线路载荷的特征与应用分析

刘 鹏 赵 凯

沈阳地铁集团有限公司运营分公司

1、研究意义

随着铁路运输的发展，轨道车辆的运用条件(速度、载重等)发生了改变，车辆自身运行状况必然也会随之变化。然而，无论高速铁路还是城市轨道交通，安全运营始终是车辆运行的首要问题，其中车辆结构疲劳强度问题显得尤为重要。

转向架构架是轨道车辆走行部中的关键部件，其结构强度的可靠性设计及试验评定是车辆能够安全运营的重要保证。大多客运转向架采用H型箱形梁焊接式构架，从是否具备动力上可分为动车转向架和拖车转向架，其中动车转向架提供车辆运行所需动力，结构和受载情况更为复杂。对车辆结构疲劳强度问题的研究通常从结构所受的载荷出发，以载荷为依据，进一步确定载荷作用下的结构疲劳强度。车辆运行时构架的载荷数目较多并都具有随机性，这些载荷祸合作用在一起，共同对构架的疲劳损伤产生影响。构架载荷是分析构架疲劳强度及可靠性问题的基础，并可以由载荷推断出构架在全寿命周期内的损伤特性。

随着近几年高速铁路的不断提速、城市轨道交通载客量的不断增大，列车的运行状况较以前己有较大改变，车辆的品种也逐渐增多，同时线路条件也可能随运营时间发生变化，从而导致构架载荷发生变化。因此，依据标准设计的转向架构架在应用时可能会由于疲劳强度不足而存在安全隐患。所以，对焊接构架真实线路载荷的特征研究非常有必要。

2、焊接转向架构架线路载荷分析

2.1 动态载荷识别方法

动态载荷识别是动力学的两大反问题之一，它是在己知系统特征和系统响应的条件下，识别系统的外部载荷。一般情况下，我们通过测量系统的位移、加速度、速度等响应信号，利用已知的系统特性可以实现系统的载荷识别。

动态载荷识别从理论基础及识别特点上看，动态载荷识别可分为频域法和时域法。频域法的特点是将系统的动力学数理方程转化至频域，根据“载荷·响应”在频域内的传递函数矩阵来识别动态载荷，通过傅立叶逆变换实现信号的时频域转换。而时域法的特点是建立系统输入与输出之间的复杂卷积关系，在获取结构响应的情况下，利用这种卷积关系直接获得结构的载荷信号。此外，还有学者发展了基于其他理论的一些载荷识别方法。

2.2 焊接转向架构架载荷识别方法

在动态载荷识别研究领域己经形成了大量的理论方法，这些方法具备鲜明的优缺点，一般都有各自的应用领域，针对某些问题时可能是卓有成效的，但在某些大型工程结构载荷识别问题上(转向架构架的载荷识别正属于这类情况，仍然存在较大的局限，主要的局限体现在以下几个方面：

1)最适合载荷识别的测试部位无法安装测试传感器；

2)识别结构自身属性的试验边界条件(如模态识别，等)无法与实际边界条件一致；

3)结构过于复杂，同时结构上载荷的藕合程度过高，使载荷在解祸识别过程中产生较大误差；

4)需要识别的构架载荷持续时间很长，进行相关载荷识别积分运算时，耗时巨大、结果易发散，导致识别方法不可实现；

5)没有足够大功率的激振器，对复杂大型结构的“载荷一响应”传递关系进行有效的动态标定。

2.3 焊接结构疲劳强度评估方法

2.3.1 名义应力法。名义应力是结构所受载荷除以所关注截面面积得到的应力值，也就是所关注面积上的平均应力值。将名义应力作为设计参数的疲劳 强度计算方法就是名义应力法，这也是最早的抗疲劳设计方法。该方法从材料的S-N曲线出发，考虑材料变为结构后的各种影响系数(加载类型、表面质量、尺寸效应、缺口效应等)，推出结构的S-N曲线，根据所得结构S一N曲线进行抗疲劳设计与疲劳强度计算。

2.3.2 局部应力应变法。局部应力应变法主要针对低周疲劳的情况，用应变寿命曲线代替应力寿命曲线，用循环应力应变曲线替代单调应力应变曲线。该方法认为结构破坏起源于应变集中部位，且裂纹萌生前会产生一定的局部塑形变形，局部塑性变形便是疲劳裂纹萌生和扩展的前提条件，决定结构疲劳强度和疲劳寿命的参数便是应变集中处的最大局部应变，因此该方法以应变集中处的局部应力应变为参数进行抗疲劳设计与计算。

2.3.3 损伤容限法。方法假定结构中存在初始裂纹，然后应用断裂力学方法估计结构的剩余寿命，并通过试验进行验证。断裂力学所采用的数学模型多采用应力强度因子或守恒积分等裂纹扩张速率公式，来确定交变载荷下主裂纹的扩张规律。根据所得规律，确保裂纹在使用期限内不会扩展到引起结构破坏的程度。

2.3.4 概率疲劳设计法。该方法也称为疲劳可靠性设计方法，是抗疲劳设计与率统计方法相结合的成果。首先确定结构工作应力的统计分布与结构疲劳强度的统计分布，然后用干涉模型进行结构疲劳强度的可靠性设计与计算。

总之，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，需要重点加强研究。

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[2]张昭.209P转向架焊接构架疲劳寿命研究[D].北京交通大学，2015.

[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.

[4]张方，秦田远.工程结构动载荷识别方法[M].北京：国防工业出版社，2011.