地铁车辆转向架构架疲劳可靠性预测研究

丁俊

摘要：本文运用雨流计数法对地铁车辆转向构架的疲劳可靠性进行预测研究，首先对于所需要的相关数据进行实测，以此为基础展开一系列的分析研究，其次想要得到99.9%存活概率下的P-S-N曲线，需要的数据为研究材料在50%和95%存活概率的P-S-N曲线，由此推演出一条可以求得任意存活概率的相应曲线，进而得到目标存活概率的相应曲线。

关键词：地铁车辆;转向架;动应力;可靠度;疲劳寿命;雨流计数法

雨流计数法在本次预测性研究中起到十分重要的作用，在进行必要实际数据测量之后，雨流计数法可以对数据进行最为妥当的统计处理，即得到理想的二维应力谱，为应用Miner线性损伤理论进行相应指标评估做好基础准备。必须要进行测量的实际数据具体包括转向构架中承担最主要的受力点及其在结构中承担的受力角色，每一个测量点的应力范围大小，而雨流计数法的所使用的数据则是所有测量的应力点中应力较大的部分，当然已知材料的P-S-N曲线也是必要的。

考虑到可供参考的已知材料的P-S-N曲线大多只有50%和95%存活概率的数据，针对实际研究中某些关键性零件需要99%及以上存活概率的数据需求，我们需要先进行一步推算，即依据已知存活概率曲线，得到任意性P-S-N曲线，这种曲线可以求得任意存活概率下的曲线模式，进而完成对于目标地铁车辆构架的疲劳可靠性研究。

1 构架动应力测试过程及数据处理

1.1 构架动应力测试

为了得到充足的实际测量数据，首先应该利用特定的方法对目标应力点进行筛选，例如低通滤波法寻找构架上值得测量的目标点，建议选用二阶Butterworth滤波器，将截止频率设定到100赫兹即可，如此我们就可以得到受力较大或者受力较为集中，及疲劳性损伤容易出现的受力目标点，考虑到桥梁结构的特征对称性，目标受力点的测量区域选定在一侧即可，主要针对经常出现疲劳性裂痕以及受力特征难以分析的区域，对于面积较小但是作用很大的承接性结构也要重点分析[1]。

按照上述步骤进行测量应力点的筛选之后，目标区域主要分为以下几类：侧梁下盖板与横梁、齿轮箱以及轴箱弹簧座的连接位置;侧梁下盖板本身靠近齿轮箱的弯曲部位;横梁与电机座连接处和自身圆弧弯曲部位。

1.2 应力的疲劳评估点选择

在选定需要测量的受力点之后，我们需要进行一步的筛选，找出对于疲劳性评估有参考价值的应力点，筛选过程中需要注意的指标为应力点的净应力和动应力。两个指标都很高的测量点以及其中任意一个指标较高的测量点都应该纳入选择范围，当然对于存在与相同部位的应力点只选择一个进行疲劳评估即可。

2 疲劳寿命评估

2.1 平均應力的修正

得到所需要的基础测量数据之后，我们应用雨流计数法对其进行统计学处理以及进一步分析，得到受力范围以及受力平均值两个重要指标，在本研究中，针对疲劳性问题的修正方法普遍建议使用Goodman曲线，这样我们即可以得到当受力的平均值为零是的应力循环。修正结果如下所示。

2.2 材料的疲劳特性

我们需要确定研究材料的疲劳特性的种类，通常意义上讲，对于不同材料，我们可以从大周期和小周期两个方面来研究疲劳循环特征，这主要和材料本身性质有关，本研究中对于轨道车辆的重要零件的疲劳特性进行探讨，这类材料的疲劳循环周期普遍较长，因此需要的研究模型则是高周期疲劳循环对应的S-N曲线，这类模型通常可以用实验来得到，当然测量环境条件有限时，通过对于材料必要的性能测量值对其进行估计的方法也很常见。

本研究使用的是16Mn钢材料的S-N曲线，同时再根据已知的材料的存活概率分别为50%和95%的Goodman曲线和P-S-N曲线求得所需要的材料能承受的最大疲劳值，从而得出所需要的在99.9%存活概率下的最大疲劳承受值。

2.3 疲劳累计损伤

在进行疲劳损伤的计算时，我们应该考虑一段时间内损伤的积累量，当我们确定了研究材料的疲劳循环之后，并不意味着所得疲劳极限值就此固定，这个极限是会根据一段时间内实际承重大小及频率进行一定范围内的波动，这种累积性的疲劳损伤通常使用Palmgren-Miner线性疲劳累积损伤理论进行计算和处理，一般来说，可以用下面的公式进行一个循环周期内所累积起来的疲劳值计算。

3结语

转向架构架是列车关键承载部位，在车辆走行装置中发挥着举足轻重的作用，须对其进行疲劳强度评估和可靠性设计，而构架所承受的载荷是进行疲劳强度评估的基础[2]。本文研究目的为通过实际测量数据推演出地铁车辆转向架构架疲劳可靠性，主体方法为雨流计数法，所需要的理论依据和数据基础分别为疲劳累积损伤理论和充足且必要的一一对应的构架应力点的动应力和时间以及已知材料的P-S-N曲线，最终得到了较为可靠的确定地铁车辆转向构架疲劳极限值的测定方案。

参考文献：

[1]王斌杰 孙守光 王曦 张立 董磊 姜朝勇.地铁转向架构架运用载荷与疲劳损伤特征研究[J].铁道学报，2019，（6）：33.

[2]张志鹏.时速400公里动车组转向架构架载荷谱的研究[D]. 北京交通大学2018，（9）：139-141.

（作者单位：苏州市轨道交通集团有限公司运营分公司）