地铁转向架构架运用载荷与疲劳损伤特征研究

王斌杰，孙守光，王 曦，张 立，董 磊，姜朝勇

(1. 北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044；2. 中车长春轨道客车股份有限公司转向架开发部，吉林长春 130062)

目前，城市轨道交通迅速发展，建设里程不断快速增加，体现了国民经济发展对于城市轨道车辆运输系统的庞大需求。在保障转向架构架的运营安全方面，几乎所有轨道车辆均严格按照国际最先进的技术标准和规范进行抗疲劳设计和可靠性试验验证[1-3]。在这些标准和规范中，结合车辆运动行为和结构悬挂特征定性规定了转向架构架承受的载荷条件，以期在构架抗疲劳设计阶段及试验验证阶段即可保证构架的全寿命安全。

但是，按照实际运用数据统计，在一些地铁线路的运用中，转向架构架频繁暴露出了疲劳可靠性不足问题，严重影响了列车的运营安全，并带来了巨大的人力、工作量和巨额费用的维修问题。关键部件的疲劳可靠性不足表现为不同部位在检修中出现的长短不一的裂纹，当裂纹扩展到骤然断裂，将引发灾难性后果。来自不同城市的统计数据显示，频繁暴露疲劳裂纹的关键部件有：齿轮箱吊杆、电机吊座、齿轮箱吊座、构架横侧梁连接部、构架横纵梁连接部等，其中电机吊座区域裂纹占比最高。转向架构架疲劳可靠性不足的根本原因，是设计时缺乏对实际运用条件下构架真实动态载荷的掌握，不能有效掌握构架在运用中的损伤状况。同时也表明，依据定性的标准和规范进行构架抗疲劳设计在一些情况下已不能完全满足实际运用条件下的轨道车辆转向架构架疲劳可靠性需求。

在对轨道车辆转向架构架真实动态载荷的测试、探索、研究方面，文献[4-6]分析了动车组在直线、曲线及进出库工况下的部分构架载荷特性。文献[7]对动车组悬挂结构疲劳载荷谱进行了研究。文献[8]研究了长大交路条件下的C70型货车转向架载荷特性。上述研究成果在一定程度体现了不同运行环境下转向架构架载荷与国际规范载荷的区别与自身特性。地铁车辆运输任务繁重、启停频繁、客流量变化明显、线路构造复杂等特点也决定了其转向架构架承载的特殊性，而目前系统、全面开展地铁转向架构架载荷及损伤特性的研究尚刚刚起步。

因此，有必要开展针对我国地铁运营环境、运用条件的转向架构架动态载荷与关键部位损伤的测试，研究真实运用工况下的构架载荷特征，分析复杂运用线路条件下构架的损伤规律，为进一步实施满足运用条件的转向架构架抗疲劳优化设计提供基础。本文完成某B型地铁构架高精度测力构架，换装在实际运用的地铁车辆上进行真实载客运行条件下的线路载荷与动应力测试，对载荷特征进行不同车辆运行状态下的时域和频域分析，研究不同载客量和线路特征所对应的构架疲劳损伤。

1 构架载荷与应力线路测试方法

1.1 构架载荷测试方法

B型地铁动车转向架构架通过圆锥形橡胶弹簧实现构架与轮对的定位并连接，通过空气弹簧承载车体并在牵引拉杆的作用下牵引车辆前进。转向架构架主体结构为两个横梁与两个侧梁，横梁上焊接有电机吊座、齿轮箱吊座及牵引拉杆座用于悬挂驱动装置和连接牵引装置，按照车辆运动、承载特征[9-10]及复杂结构载荷识别的系统性[11-13]，建立该型构架在车辆运营过程中承受的11种载荷系，如图1所示。

图1 构架承受载荷示意图

文献[14-15]介绍了 “载荷标定”，测力构架即采用构架测试获得其在实际运用中所承受的动态载荷[16-17]，且不对构架结构进行任何改变，不影响其与转向架部件的接口。按照转向架构架的抗疲劳设计要求，构架在运用中的变形与外载成线弹性关系，局部应力与载荷的传递关系为

σ(t)=kF(t)

(1)

式中：σ(t)为构架局部的应力响应；k为“载荷-应力”传递系数；F(t)为外部载荷。

若多个载荷同时作用，多个载荷均可引起构架上的应力响应，则式(1)转换为

(2)

式中：σm为构架上第m个测点叠加后应力响应；kmn为第n类载荷与第m个测点的载荷-应力传递系数；Fn为第n类外部载荷。式(2)可用矩阵形式表述为

σ=KF

(3)

式中：σ为应力矩阵，由应变采集系统直接测得；K为载荷-应力传递系数矩阵；F为外部载荷矩阵。若使式(3)中的外部载荷获得准确解析解，最为有效的方法是：在多次加载的基础上，寻求合适的应力响应位置，通过组桥解耦消除应力响应的载荷耦合作用，准确获得各载荷系和被测试部位的高精度对应关系，即制作高精度测力构架，使得单一载荷测试通道的测量误差低于2%。

对于本次研究对象，构架载荷标定工作历时4个月，在数千次加载的基础上研究制作完成了该地铁构架的高精度测力构架，满足测量误差低于2%的要求，实现载荷测试通道与所测载荷一一对应，如式(4)所示。该项工作为后续线路测试中能够准确获得构架所承受的11种载荷系奠定了基础。

(4)

1.2 构架动应力测试方法

对于结构承受的动应力国内外通常采用电阻应变片进行测试。在构架的关键部位粘贴应变片，对应变ε进行连续测量。获得材料的弹性模量E，根据式(5)可以获得该部位的应力σ。

σ=Eε

(5)

构架的结构形式和受力情况比较复杂，通过综合强度分析、模态分析和构架细部结构确定测点位置。动应力测点的布置如图2所示，分布于横侧梁连接部(测点用HC表示)，横纵梁连接部(测点用HZ表示)，电机吊座与横梁连接部(测点用HD表示)，齿轮箱吊座与横梁连接部(测点用HCL表示)，一系弹簧座与侧梁连接部(测点用Y表示)。

图2 应力测点布置

2 测试条件

地铁正常运营时，采集所有载荷、应力、速度、摇头角速度(用于判断车辆运行于直线、曲线)等数据。车辆运行工况为29圈内、外环线路，覆盖车辆加速运行、匀速运行、减速运行、进出车站和不同曲线等全运用工况。获得了应力、载荷、速度、车辆摇头角速度等多种物理量-时间信号。

3 构架线路载荷特性分析

3.1 构架主体载荷分析

在复杂多变的车辆运营载荷条件下，构架浮沉载荷、扭转载荷、菱形载荷、侧滚载荷以及横向载荷作用于构架整体，称为转向架构架主体载荷。图3给出了列车从一个车站启动加速、行经站间直线区间、到下一个车站减速停车时的构架主体载荷、速度和摇头角速度的时间历程。由图3可见，列车在出站和进站时由于该线路为岛式站台，摇头角速度发生快速变化。列车在启动瞬间车辆状态突变，浮沉载荷均值发生变化。之后列车不断加速，列车行经岛式站台的出站短曲线线路，横向载荷、扭转载荷、侧滚载荷和菱形载荷发生明显的波动，而浮沉载荷几乎无变化。

图3 构架主要载荷时间历程

列车出站后进入匀速运行阶段，此阶段构架整体承载相对平稳，主体载荷的交变分量呈现小幅波动。其中，菱形载荷交变幅值约为6.0 kN，短时有16 kN变化；横向载荷的交变幅值约为5.0 kN；浮沉、侧滚和扭转载荷的交变幅值约为2.5 kN。

列车在即将到达前方车站时，处于制动减速阶段，同样要经过岛式站台所决定的站前曲线，浮沉交变载荷变化要大于驶出岛式站台时的变化量，其余载荷呈现与驶出岛式站台时的类似特征，当列车停车后，各载荷动态变化接近于0。

在列车启动出站-加速-匀速运行-减速-进站停车过程中，构架主体载荷明显受到线路条件及车辆运行状态的影响，表现为：

(1)加速和减速阶段载荷幅值明显；

(2)在站前站后的曲线上，侧滚载荷、扭转载荷、菱形载荷、横向载荷具有较高相关度；

(3)直线匀速行驶阶段各载荷变化幅度最小。

构架主体载荷从列车启动到停车过程的短时傅里叶变换(STFT)如图4所示。由图4可见，构架主体载荷能量在10 Hz以内。在启动加速阶段，列车驶出岛式站台时的短曲线线路导致载荷的瞬时频率快速变化。直线匀速运行时，扭转载荷和横向载荷的频率相对稳定，菱形载荷、侧滚载荷具备的振动能量降低。在列车开始制动减速准备进入岛式站台时，各载荷的振动能量又开始增大，表明在列车行经短曲线线路时，构架主体载荷同时出现了能量成分，一定程度上验证了这些载荷在特定线路上的相关性，也表明在这些特定线路上构架疲劳损伤较直线匀速运行时要明显增加。

图4 构架主体载荷STFT变换

3.2 构架牵引、驱动载荷分析

构架疲劳除受到主体载荷影响外，横梁上作用于电机吊座的载荷、齿轮箱吊座的载荷和牵引座处载荷，同样对横梁局部造成明显的疲劳损伤。文中定义以上载荷为构架牵引驱动载荷。

图5给出了列车从某个车站加速启动、行经直线区间、到另一个车站减速停车时的构架牵引驱动载荷以及在该过程中列车速度和摇头角速度变化情况。列车在加速启动阶段，电机进入运转状态，此时电机垂向和横向载荷变化较小；之后通过联轴节将动力传递至齿轮箱驱动车轮转动，齿轮箱吊座载荷发生短时6 kN变化载荷的作用；构架和车体中心销间的纵向载荷约为10 kN。在列车运行速度从0提升至约30 km/h的过程中，电机载荷变化较快且幅度逐渐增大，纵向载荷为10 kN不变，齿轮箱吊座载荷缓慢变化幅值较小。当列车速度继续提高并进入短曲线线路，电机垂向载荷和横向载荷短时发生较大幅值变化，分别为27.5 kN和6 kN左右。在列车运行于短曲线线路时，列车速度逐渐增加，牵引载荷开始减小，电机横向载荷、电机垂向载荷振幅逐渐变小，大幅载荷作用于齿轮箱吊座。当速度继续增大到约72 km/h时，列车驶入直线区间，纵向载荷开始逐渐减小，齿轮箱吊座载荷缓慢变化且存在较大幅值，电机垂向载荷和横向载荷幅值同时减小。

图5 构架牵引驱动载荷-时间历程

纵向载荷表现为，车辆匀速运行速度为72 km/h时，载荷幅值在零点附近波动。电机垂向载荷和横向载荷变化幅值较小，波动幅度分别为7 kN和1.5 kN左右。齿轮箱吊座载荷变化较为缓慢，波动范围约为10 kN。

列车由惰性运行状态开始制动减速时，传动系统载荷状态又产生明显变化，齿轮箱吊座载荷幅值达到19 kN；电机横向和垂向载荷呈现先增后减变化趋势。驶入站前曲线使电机垂向载荷和横向载荷出现短时较明显的幅值变化，分别为15 kN和2 kN。牵引拉杆受到制动反作用力，最大纵向载荷提升至最大15 kN，大于启动时牵引拉杆载荷。减速至40 km/h时，电机垂向载荷、电机横向载荷基本不再产生，但齿轮箱吊座仍存在小幅值载荷，纵向载荷开始减小。当速度减至20 km/h时，列车驶出站前曲线线路进入车站，齿轮箱吊座载荷也基本为零。从发车到停车运行过程中，构架牵引驱动载荷同时受线路条件和运行状态影响波动明显，启动过程中的载荷波动较其他过程波动变化、幅值变化最大，施加制动并减速的过程次之，站间的匀速运行过程载荷波动最慢，幅值变化最小。

对变化范围较大的电机垂向载荷和齿轮箱吊座载荷进行STFT变换，如图6所示。由图6可见，驱动载荷在车辆不同运行阶段作用的频率范围差异明显。启动过程中，提高速度的同时，电机垂向载荷的作用频率也增大，制动过程与之相反。惰性运行时，电机载荷作用的频率范围明显低于加速减速阶段。在整个运行过程中有51 Hz高频能量成分。齿轮箱吊座载荷作用的频率范围在整个过程中维持在0～10 Hz左右。

图6 电机垂向载荷和齿轮箱载荷STFT变换

由上述分析可见，对于地铁车辆来说，转向架构架主体载荷与牵引驱动载荷的动态行为均与线路条件及列车运行状态密切相关，列车频繁的启停、站前站后的短曲线线路均导致转向架构架承受较大幅值、较高频次的动态载荷作用，这将很大程度上增大构架疲劳控制部位的损伤。构架主体载荷能量在10 Hz以内，但电机吊座载荷有51 Hz左右的能量成分存在。图7为车辆运行一天(05:00—23：00)构架主体载荷谱，可见构架主体载荷中，横向载荷作用的大小和频次在构架主体载荷中最为明显。

图7 车辆运行一天实测载荷谱

4 构架损伤分析

材料或焊接接头的S-N曲线方程为

(6)

按照miner线性疲劳累积损伤法则，结构中疲劳控制部位的损伤为

(7)

式中：m和C为S-N曲线参数；k为实测应力谱级数；ni为应力谱中第i级应力的作用频次；Si为应力谱中第i级应力的幅值。

由于材料或者结构的疲劳是一个各态历经及损伤累积的过程，所以分析结构损伤受线路状态、车辆运行状态的影响，有助于判断构架在运营过程中的损伤分布，对于车辆、线路的维修具有指导意义。

4.1 线路区间对构架损伤的影响

由于整条线路中各区间长度不一致，故用各区间每公里疲劳累积损伤来表征各区间的线路状态。计算图2中疲劳控制区域在全线各个区间的每公里疲劳累积损伤，如图8所示。所测线路共计20个区间，表示为A-T，其中，A、E、J、K、O、S和T(入库)区间为含有小半径的曲线线路，其他区间为直线线路。

图8 列车通过不同区间时构架的损伤

由图8可见，构架中疲劳累积损伤最严重的部位为横侧梁连接部、电机吊座与横梁连接部、齿轮箱吊座与横梁连接部。同时，车辆运行于不同区间，构架产生不同水平甚至非常明显的疲劳损伤。在B和G两个区间的每公里损伤明显高出其他区间，曲线区间E、J、K、O、S所有测点的损伤也较为明显。另外，启动阶段和制动阶段也会造成明显的构架疲劳累积损伤，这是由岛式站台的影响造成的。

4.2 载客量对构架损伤的影响

在该条地铁线路运行中，载客量大的时间段为早高峰和晚高峰区段。列车通过B(直线)区间和O(曲线)区间时的速度和摇头角速度时域图如图9和图10所示。B区间不考虑岛式站台的影响为直线区间，列车在直线段的摇头角速度变化较小，O区间线路情况较为恶劣，忽略岛式站台，O区间比B区间增加了缓和曲线段和圆曲线段，为典型的曲线区间。

图9 列车通过B区间速度和摇头角速度时域图

图10 列车通过O区间速度和摇头角速度时域图

图11 列车通过B区间时部分测点损伤

图12 列车通过O区间时部分测点损伤

选取疲劳损伤较大的齿轮箱吊座区域测点D4-HCL5、横侧梁连接部区域测点D3-HC3、电机吊座区域测点D4-HD3、D3-HD10计算列车一天中不同时间段在B、O两个区间所对应的每公里损伤，如图11和图12所示。由图11可见，在直线区间，不同的测点损伤与载客量变化规律不完全一致，在载客量较大的两个时间08:09和17:55时基本为客流早晚高峰时期，位于横梁上方的齿轮箱吊座测点D4-HCL5、电机吊座测点D3-HD10、横侧梁连接部位测点D3-HC3的疲劳累积损伤随着载客量的增大而下降；电机吊座与横梁连接部D4-HD3的损伤规律与客流量规律趋于一致。

由图12可见，列车通过曲线区间时，4个测点的损伤规律存在一致的趋势：早、晚高峰时最大的载客量并未造成最大的测点疲劳累积损伤，曲线相对于载客量是构架更大的疲劳损伤来源。列车运行在曲线时，线路激励会增大，从而导致增大构架的振动幅度，但早、晚高峰的大载客量可能会降低构架的振动幅，从而降低构架损伤。

5 结论

本文对某型地铁动车转向架构架运营动载荷和动应力进行线路跟踪测试，结合运行状态、线路条件、载客量分析了构架在车辆正常运营中动态载荷与疲劳损伤的特征，为设计和运用人员掌握地铁车辆转向架构架的载荷特征，在不同线路条件下的损伤状况，以及开展地铁线路和车辆的运营管理提供参考。

(1)标定制作高精度测力构架，是能够直接获得线路运用中构架所承受真实载荷数据的关键基础。

(2)载荷信号的时域频域特征表明，转向架构架主体载荷、牵引驱动载荷均与线路条件及列车运行状态密切相关，列车频繁的启停、站前站后的短曲线线路导致转向架构架承受大幅值、较高频次的动态载荷，增大了构架疲劳控制部位的损伤。构架主体载荷能量在10 Hz以内，电机吊座载荷存在51 Hz振动能量，高频的载荷将急剧加速构架的疲劳损伤累积，这也是引起电机吊座区域疲劳裂纹的原因，构架优化改进时应采取措施抑制构架承受的高频载荷输入。

(3)地铁线路状况的变化对转向架构架疲劳损伤影响明显，曲线线路造成的构架疲劳损伤普遍大于直线线路造成的构架疲劳损伤；同一部位线路状况恶劣的区段造成的损伤比线路状况良好的区段造成的损伤可高出8倍及以上。因此，加强疲劳损伤较大区段的线路养护对于降低转向架构架的损伤具有重要作用。

(4)损伤计算结果显示，在直线区间和曲线区间，构架不同部位的疲劳损伤受到载客量的影响明显，在曲线区间，载客量最大的早晚高峰，某些典型部位每公里的损伤并非最大。需要从构架本身的抗疲劳能力提升方面着手，使其能够适应运用中的载荷输入与线路条件。

(5)为保证车辆的运用安全，开展进一步的构架抗疲劳优化改进设计建议：针对幅值大、频次高的载荷输入，采取措施降低载荷输入；针对构架结构中的薄弱区域，采取系统性补强与加强焊接接头局部疲劳强度的措施。

本文基于实测地铁车辆正常运营条件下构架载荷与动应力，研究构架动态载荷特性与疲劳控制部位的损伤特征，论文数据基于地铁车辆架修后的运行状态。随着车辆投入运用里程的增加，构架载荷与损伤特性可能发生变化，将持续跟踪测试并进一步开展研究。