城市轨道车辆转向架构架振动疲劳失效影响因素分析

董磊，王怀东，陈卓，殷炜棋，张莉

(中车长春轨道客车股份有限公司 技术中心, 吉林 长春 130062)*

0 引言

随着城市轨道交通快速发展，运量不断加大、开行里程不断增加，开行频次不断提高，车辆运用环境变得更加复杂、恶劣，对城轨车辆关键部件运用安全提出了更高的要求.构架作为转向架重要部件之一，承受和传递来自车体和轮轨的载荷并为各种悬挂提供支撑，确保其疲劳可靠性对保证列车运用安全具有十分重要的意义.

列车运行过程中，各种外部激扰恶劣化导致列车系统产生强烈振动，表现为列车-轨道系统轮轨相互作用加剧、构架激振失稳等，致使车辆结构载荷加大、构架发生弹性振动等.而载荷增大、发生弹性振动等均会显著降低转向架构架疲劳寿命，影响列车运行安全性.

某型城市轨道车辆在投入运营前，对其转向架构架进行了线路动应力测试和可靠性评估，结果表明该型转向架构架满足360万(30年)公里可靠运用要求.但是在运用4年后，该型动力转向架构架横侧梁连接部、电机吊座以及齿轮箱吊座等发生多处裂纹.因此，对同一转向架构架再次进行了线路动应力测试和可靠性评估，结果表明该型构架几乎所有测试部位的动应力有非常明显地增大，严重影响了该型转向架构架运用安全性.是什么因素导致该型转向架构架在运用4年后不满足疲劳可靠性要求？

事实上，引起轨道车辆产生振动的外界激扰源主要有车轮缺陷、轨道特殊区段激扰、轨道随机不平顺等类型.①车轮缺陷激扰.车轮运用过程中出现的缺陷如车轮扁疤、径跳、擦伤以及异常磨耗等，将增大轮轨冲击作用，不仅影响列车运行安全和轨道运用安全，还会加剧车辆结构的疲劳损伤.②轨道特殊区段激扰.车辆通过某些特殊轨道区段如轨缝、道岔、轨道曲线变坡点时，将激起轮轨系统幅值更大、频率更高的冲击振动以及车辆系统关键部件损伤.③轨道不平顺激扰.亦是引起车辆系统发生振动的主要因素，其中轨道高低不平顺和方向不平顺，是引起轮轨激烈振动和影响运行安全性的主要原因，同时也是引起构架早期疲劳失效的主要因素之一.

轮轨激扰引起车辆系统振动及相关频率特性已引起广泛关注[1]，翟婉明[2]对铁路轮轨随机振动进行了理论解析，是国内较早涉及轮轨振动频率的文献之一.姚起杭[3-4]对工程结构振动疲劳阐明了概念和定义，指出外界激扰的频率与结构的某一和某几阶共振频率一致或相接近时，结构将会发生共振，这时一定的激扰将会产生更大的响应，以致更加易于产生破坏.文献[5-10] 论述了结构振动疲劳对结构寿命的影响，方吉[11]和薛海[12]对铁道车辆的结构振动疲劳进行了分析研究.上述研究工作基于理论研究，尚未结合线路试验开展相关研究和验证.

为此，本文在多次测试、计算和分析的基础上，拟确定引起该型转向架构架疲劳损伤的主要因素.该项工作对现场实际运用和维护具有良好的指导意义.

1 构架动应力测试结果

图1为测试转向架构架位置示意图，安装于该型城轨车辆5车2位端.如前所述，运用四年后的线路测试结果表明，该构架多个部位的动应力都较投入运营初期时有了非常明显地增长，特别是电机吊座与横梁连接部，按设计寿命所计算的等效应力增长幅度达到了70%，导致构架不能满足安全运用及全寿命要求.本次试验过程中，为判断构架是否发生了弹性振动，在运营状态下除测试构架动应力之外，还测试了电机吊座两侧、构架侧梁端部和轴箱垂向加速度.

图1 构架测试部位

图2给出了电机吊座外立板与横梁连接部全程动应力波形.由此可见，该测点动应力总体上表现为幅值大和波动频繁等特点.

图2 电机吊座与横梁连接处全程应力波形

为进一步分析其频率成分，在对其动应力-时间历程实施傅立叶变换后，得到的频谱分布如图3所示.由图可见，构架所受激扰频宽较宽、频率成分复杂，42和51Hz是其非常明显的振动主频，振动能量在这两个频率有聚集，疑似有明显的弹性共振现象发生.

图3 电机吊座外立板与横梁连接处全程应力频谱

2 构架弹性共振确认

根据应力信号所表现出的特征，结合相关文献对共振疲劳的阐述，推测车辆运行中由于外部激扰构架发生了弹性振动.为进一步确认这一现象，这里在建立构架有限元模型基础上，得到了构架前六阶弹性模态，列于表1.由此可见，这里的第二、三阶弹性模态与图3所示的振动频率为42和51 Hz吻合.下面结合构架固有模态和线路测试信号来确认其是否发生了弹性振动.

表1 构架前6阶固有模态

2.1 42 Hz振型确认

由表1可知，理论计算得到构架第二阶弹性振动频率42 Hz，对应的构架变形特点为：两横梁同向弯曲、侧梁端部斜对称变形.

实际线路测试动应力和加速度信号在42 Hz带通处理后表明(图4)，一、二位横梁对应部位应变片信号方向相同，构架斜对称轴头加速度同向.该信号特征与模态计算结果完全一致，表明该型构架发生了42 Hz弹性共振.

(a) 横梁上下表面应力反向

(b) 构架端部斜对称位置加速度反向

2.2 51 Hz振型确认

计算得到构架第三阶模态频率为51 Hz，对应的构架变形特点为：两横梁反向弯曲、一位和二位电机反向点头.实际线路测试对应的传感器时域信号51 Hz带通滤波后的特征(图5)为：一位和二位横梁对应部位应变片信号方向相反，横梁上下表面应变片信号反向.传感器信号与模态计算结果完全一致，由此确认该型构架还发生了51 Hz弹性共振.

由此可见，外部激扰频率与转向架构架第二和第三阶固有频率接近或一致，引起该型构架发生了一定程度的弹性共振.发生弹性共振后,极易导致构架产生早期疲劳破坏[3].

(a) 横梁上下表面应力反向

(b) 一、二位横梁相同位置应力反向

3 典型轮轨激扰影响分析

3.1 轮对缺陷

依据构架应力特征，推测引起弹性振动激扰与车轮踏面缺陷相关.为进一步确认，线路试验过程中，测试了转向架轮对轴箱加速度.

图6给出了斜对称位置第6号和第7号轴箱垂向加速度时间历程.第7号轴箱加速度表明轮轨间存在间歇性冲击，依据车辆运行速度可以确认该间歇性冲击来自轨缝冲击；第6号轴箱加速度除有轨缝冲击外，在两轨缝冲击之间还附加其他周期性冲击，由此推测第6号轴箱对应的车轮存在径跳、扁疤或擦伤等缺陷.

图6 不同轮位轴箱加速度对比(2 s)

经车辆入库后测试，6号轴箱对应的车轮存在较大径跳.对该轮对镟轮后，又进行了一次相同内容的测试. 图7给出了镟轮前后第6号轴箱某一线路区段两次测试的加速度均方根值.由此可见，镟轮后该轴箱加速度均方根值下降非常明显.图8给出了镟轮后第6号轴箱加速度局部时域图.由此可见，再次线路试验获得的该轴箱加速度信号中已没有径跳带来的冲击，只剩下轨缝冲击.

图8 镟轮后第6号轴箱加速度局部放大

上述研究结果表明，镟轮前车轮存在明显缺陷，引起转向架构架振动.镟轮后车轮缺陷带来的冲击消失，有效地降低了轮轨激扰和构架动应力.

3.2 轨缝冲击影响

事实上，引起构架42 Hz和51 Hz弹性振动的激扰，还有来自于轨缝的冲击.轨缝冲击时刻，动应力水平明显大于其他时刻(图8).图9给出了轨缝冲击引起的测点频谱图，频谱成分以42 Hz和51 Hz为主.因此，即使轮对径跳消除，轨缝冲击依然是导致构架发生弹性振动的主要原因之一，并引起构架疲劳损伤.

图9 轨缝冲击时刻应力频谱

3.3 轨道不平顺影响

轴箱垂向加速度时域信号显示，部分站间存在较为严重的线路不平顺(图10)，导致车辆运行至此区段时轮轨产生了较大冲击.这些冲击引起的构架动应力主振频率仍然是42 Hz和51 Hz，如图11所示说明较差线路不平顺也是导致构架发生弹性振动的主要原因之一.

图10 线路不平顺时轴箱加速度

图11 线路不平顺时动应力FFT

4 结论

本文在理论计算和多次试验测试基础上，研究并确认了某型城市轨道车辆转向架构架早期疲劳失效因素，结果表明：

(1)外界激扰频率和构架低阶固有模态接近和一致后，引起构架发生弹性振动，该弹性振动是构架早期失效的根源；

(2)车轮缺陷引起构架周期性振动，镟轮后可以消除该型缺陷并有效降低轮轨激扰和构架动应力幅值.

(3)车轮缺陷、轨缝冲击和线路不平顺三种外部激扰为构架发生弹性振动的主要因素，为保证构架安全运用，应当及时镟修车轮、改善钢轨接头并对线路状态较差区段进行改造，以提高车辆转向架构架疲劳寿命和乘坐舒适性.