外部载荷对轨道车辆转向架构架结构静强度影响程度的评估方法

董 博，王 萌

(中国铁道科学研究院集团有限公司 标准计量研究所，北京 100081)

结构强度是决定轨道车辆产品能否安全应用的重要指标[1]，而外部载荷、材料属性、结构几何特征共同决定了结构的实际强度。实验室台架试验由于具有载荷可控、有可依据的行业标准[2-4]等优势，是研究及验证轨道车辆转向架构架结构强度的重要技术手段，在轨道交通行业被广泛应用[5-7]。

轨道车辆转向架构架的结构强度分为静强度和疲劳强度，其中针对疲劳强度的研究较多[8-10]，而对静强度的研究很少。但是，在轨道车辆转向架构架的安全评估中其静强度也是至关重要的[11]，通过静强度试验可以发现轨道车辆转向架构架的薄弱环节，有助于对轨道车辆转向架构架的结构进一步优化。

有学者针对多种外部载荷耦合作用对结构疲劳强度的影响，提出了疲劳损伤影响参数[12]。本文在此基础上，借助转向架构架实验室台架试验，基于我国铁道行业标准条件下各试验载荷，进一步研究各种外部荷载对轨道车辆转向架构架结构静强度的影响及其反映影响程度的参数，据此提出外部载荷对轨道车辆转向架构架结构静强度影响程度的评估方法。

1 外部载荷对结构静强度影响程度的参数

当结构受到多个外部载荷作用，且其应力响应水平在材料屈服强度以下的线性范围内时，根据材料力学理论的线性叠加原理，外部载荷与结构单向应力响应的关系为

(1)

式中：σi为结构上第i(i=1,2,…，n)个应力测点处的应力响应，n为应力测点总数；Fj为第j(j=1,2,…，m)个外部载荷，m为外部载荷总数；kij为第j个外部载荷对第i个应力测点的“外部载荷—应力”传递系数。

因此，m个外部载荷在第i个应力测点处形成的应力响应σi为

(2)

当其中第j个外部载荷缺失时， 第i个应力测点处的应力响应σi(-Fj)为

(3)

借鉴文献[12]的思路，定义载荷影响系数Cij反映各外部载荷对结构静强度的影响程度，其计算公式为

(4)

由式(4)可知：当第j个外部载荷在第i个应力测点处产生的应力与总体应力的符号(拉应力为正，压应力为负)相同时，在Cij≤1条件下，Cij越小Fj对结构静强度的影响程度越大；在Cij>1条件下，Cij越大Fj对结构静强度的影响程度越大。

对影响参数Cij作进一步优化处理，得

(5)

式中：σi(Fj)为外部载荷Fj在测点i处的应力响应。

在工程应用中，当结构外部载荷发生变化而测点处的主应力方向基本不变时，采用结构单向应力响应水平评估结构的静强度；但当测点处的主应力方向变化明显时，则需要用结构VonMises应力响应水平评估结构的静强度。

工程中，通常采用三向应变片获取结构VonMises应力响应水平，测点处最小和最大的正应力响应分别为

(6)

式中：σmin和σmax分别为测点处最小和最大的正应力响应；E为材料的弹性模量；ε1，ε2，ε3分别为对应三向应变片0°，45°和90°方向的应变响应；ν为泊松比。

由式(6)可得结构VonMises应力响应水平σVon为

(7)

借鉴式(4)的思路，定义结构VonMises应力的载荷影响系数为

(8)

式中：σi-Von(-Fj)为外部载荷Fj缺失时测点i处的结构VonMises应力响应。

2 转向架构架的结构静强度台架试验

试验前，在构架上布置65个单向应力测点和22个三向应力测点，共87个应力测点。试验时，采用MTS型多通道协调加载系统对构架进行加载，采用多功能静态应变测试系统采集构架受载时的应力响应，试验现场如图1所示。

图1 转向架构架的结构静强度台架试验现场

根据TB/T 2637《铁道客车转向架构架、摇枕及摇动台》，选取2种试验工况并计算不同工况中的相关载荷，见表1。试验时，采用MTS型多通道协调加载系统依次单独施加表1中的各个载荷，通过数据采集设备获取不同载荷单独作用下的应力响应结果，从而获得不同外部载荷对每个应力测点的“外部载荷—应力”传递系数kij；然后根据式(1)计算得出构架上各测点的应力响应，如图2所示。

表1 转向架构架结构的静强度台架试验载荷

图2 不同工况下各测点的结构应力响应

通过将图2的结果与材料的屈服强度进行比对，可以判定转向架构架是否满足结构静强度的要求。

3 外部载荷对构架结构静强度的影响程度计算与分析

当关注某一个外部载荷时，该载荷在结构上不同测点处的应力响应不同；当关注某一个测点时，该测点对不同载荷的应力响应程度也不同。为较全面地分析外部载荷对构架结构静强度的影响程度，从以下2个方面进行分析。①针对所有测点分析时，采用载荷影响系数的统计量来衡量外部不同载荷对构架结构静强度的宏观影响程度；②针对1个测点分析时，采用载荷影响系数来衡量外部不同载荷对构架上具体关注区域结构静强度的影响程度。

3.1 外部载荷对构架结构静强度的宏观影响程度

图3 2种工况下各测点的载荷影响系数

工况垂向载荷抗侧滚载荷横向载荷斜对称位移均值方差均值方差均值方差均值方差10.7750.1360.1100.0040.2940.0470.1140.01220.7240.2160.1330.0100.3000.0720.1360.026

由图3、图4及表2可以得出如下结论。

(1)相同工况下，不同外部载荷对结构静强度的影响不同，显然，垂向载荷对结构静强度的影响程度在整体上大于其他外部载荷；不同工况、不同外部载荷对结构静强度的影响程度略有不同。

3.2 外部载荷对构架具体关注区域结构静强度的影响程度

分别从单向应力测点和三向应力测点中选取工况1、工况2下应力响应绝对值最大的测点，将得到的2个单向应力测点编号为S1，S2，2个三向应力测点编号为R1，R2；这4个测点的位置及其2种工况下的应力测试结果见表3。

表3 应力测点所处位置及在2种工况下测得的应力响应

为对结构载荷优化提供更多参考信息，进一步研究构件关注区域的结构静强度影响程度随外部载荷变化的规律。

对于第i个应力测点，使第j个外部载荷Fj发生线性变化而其他外部载荷不变，则外部载荷j在应力测点i的变化为

Fj(ai)=aiFj

(9)

式中：ai为外部载荷j在应力测点i的线性变化系数，且0≤ai≤1；Fj(ai)为Fj按照ai线性变化后的载荷。

假设垂向载荷、横向载荷发生线性变化，其ai分别取0.0，0.2，0.4，0.6，0.8和1.0，根据表3，采用式(5)、式(8)和式(9)分别计算工况1下测点S1，S2， R1和R2随垂向载荷和横向载荷线性变化时的载荷影响系数，计算结果如图5所示。

图4 2种工况下4个测点处的载荷影响系数

图5 工况1下垂向和横向载荷线性变化时的载荷影响系数

从图5可以得出如下结论。

(1)当载荷线性变化时，对应的载荷影响系数也发生变化，且不同载荷的载荷影响系数的变化斜率不同(即变化的剧烈程度不同)。

(2)当某载荷的载荷影响系数越大、载荷影响系数变化的斜率越大，则该载荷对结构静强度的影响程度也越大。

(3)当载荷线性变化时，单向应力测点处的载荷影响系数呈线性变化，而三向应力测点处的载荷影响系数可能呈现强烈的非线性变化，如图5中R2测点处的载荷影响系数变化曲线所示。

4 结 语

针对受多种外部载荷同时作用的转向架构架，本文提出采用载荷影响系数评估各外部载荷对构架结构静强度影响程度的方法。采用载荷影响系数的统计量可量化分析不同载荷对结构静强度的宏观影响；采用载荷影响系数可量化分析不同外部载荷对结构关键部位静强度的影响程度；通过分析载荷影响系数随载荷的变化曲线，可获取不同载荷对结构静强度影响程度的更多有关信息，为转向架构架载荷或结构的进一步优化提供依据。