地铁车辆轮对安全吊的振动疲劳特性探讨

章明耀

摘要：本文主要围绕地铁车辆轮对安全吊的振动疲劳特性展开研究，通过模态分析和模态仿真实验，探究影响安全吊正常运行幅值的因素，结合有限元计算等进行进一步验证分析，探究延长安全吊使用寿命的具体措施。

关键词：安全吊;振动疲劳;模态分析;疲劳寿命

1.模態分析

模态分析可以帮助实验人员从多角度开展模态仿真计算和模态试验，继而获得相关数据。实验选择了固定形式的安全吊开展工作，在轴箱上方紧固螺栓后，当车辆起吊时，安全吊会与构架铁合在一起，实现轮对和架构的正常连接，实现对轮对的起吊。此时，安全吊相当于一个悬臂结构，受到振动等当面的影响，安全吊在应用过程中可能会出现开裂问题，这也是在车辆起吊过程中经常会出现的问题之一。下图为模态仿真和实验过程中得到的不同数据。

2.线路实验

2.1实验准备

为了获得正常工作状态下的安全吊应力水平和振动情况等数据，实验人员选择对车辆进行线路实验，结合其不同阶段的运行状态，测量安全吊的横向加速度和轴箱体动应力响应等数据。

2.2数据分析

通过不同阶段的车辆运行数据可以发现，轴向的垂向振动和横向振动都比较稳定，波动控制在一定范围内。而安全吊则会随着车辆运行出现波动较大的振动，到最后振动幅值会在短时间内达到高峰。通过比较车辆途经的路段可以判断，在振动幅值较大的路段可能会存在钢轨波磨等问题，该类问题的存在会导致安全吊的部分区域产生共振，通过傅里叶变换对波磨的站间数据进行分析可以发现，存在不随速度变化而变化的固定能量带，结合其影响因素可以判断这与一阶弯曲模态被激发有关，而该状态会导致安全吊脱离原有的振动频率，出现较大的振动，影响车辆运行稳定性。通过将轴箱到安全吊的振动时域进行对比可以发现，安全吊的垂向加速度幅值一直稳定在与轴箱相对合理的范围内，没有出现明显变化。而将横向振动幅值对比时可以发现，安全吊的振动幅值是轴箱的三到三点五倍，该时域的一阶横向弯曲模态被激发引起了安全吊横向加速度的放大性变化，其主频也发生了不同程度的变化。

2.3疲劳寿命对比分析

ISO将疲劳定义为受到应力及应变反复作用的材料发生不同程度的性能变化，主要体现在开裂和破坏等方面。而破坏产生的机理是金属材料在循环形变过程中会出现不可逆的疲劳裂纹并扩展，导致其结构形成永久性的损伤。在实际工程中，相关人员会结合连续介质力学方法来对应力、应变和环境因素等对疲劳寿命造成的影响进行分析。疲劳寿命是疲劳裂纹循环数和裂纹的亚临界被扩展到最后尺寸的循环数总和。根据其定义，可以通过损伤容限法和总寿命法两种方法对其进行计算，结合具体情况选择应当使用的方法。

在实验开展过程中，实验人员可以结合实际测得的线路动应力数据总寿命对安全吊结构的疲劳寿命进行评估，继而得到在现有线路条件下，不同测点位置的安全吊的服役寿命。实验过程中会得到大量原始数据，但是该类数据会受到干扰噪声的影响，不利于后续计算等工作合理开展。为此，实验人员需要对数据进行零漂修正和共模噪声滤波等处理，逐层对噪声进行过滤，继而得到相对清晰准确的实验数据。通常实验开展过程中，主要是利用材料的常幅应力应变循环数据来开展其疲劳寿命计算工作。实验人员使用载荷谱来获得离散分级的常幅应力应变谱，实现对结构随机应力应变时间历程的合理转换，可以推动后续实验计算工作合理开展。而这种转换方法是在传统雨流计数法的基础上进行的，因而在后续讨论过程中也主要应用该方法来对测得的动应力数据进行分级计算。结合结构疲劳定义可以发现，结构疲劳实际上是材料所受的损伤逐渐积累的过程。一般在铁路行业中，车辆的使用时间和使用里程是寿命的主要表征，在使用频次的帮助下对这两类数据进行转换，可以测得安全吊损伤量的准确数据。实验和实际工作过程中，相关单位会在《FKM Analytical Strength Assessment 5th_Edition》这一寿命评估参考标准的帮助下开展后续工作。该标准对安全吊材料牌号和对应牌号的抗拉强度参数以及屈服强度参数等进行了明确的规定，工作人员可以结合安全吊使用环境对其安全系数进行确定，一般为1.35。实验人员对地铁往返测试数据进行评估之后，在有限元计算的帮助下，可以得到不同应力位置的变化数据，其使用评估寿命结果如下。

3.实验结论

通过对某地铁安全吊轮进行模态仿真和模态实验测试，经过有限元计算验证后发现，安全吊的一阶横向弯曲模态为345Hz，二阶固有频率是991Hz。而将轴箱和安全吊的振动数据进行对比可以发现，车站之间可能存在轨道波磨问题，影响安全吊的使用寿命。而经过分析可以发现，安全吊在受到轨道波磨段的影响后发生共振，导致其原有的振动幅值发生变化，继而会出现不同程度的破坏，这是其破坏的主要原因。在共振作用的影响下，安全吊的横向振动幅度明显扩大，导致其动应力发生明显变化，这直接导致安全吊出现损伤破坏问题。通过对轨道波磨路段的数据进行分析计算可以发现，安全吊在不受波磨损耗影响的情况下，其疲劳寿命大大延长，因而相关单位应当安排专业人员对轨道波磨路段进行打磨，同时申请在寿命管理中加入安全吊寿命管理项目，可以有效延长安全吊的使用寿命。

4.小结

地铁车辆轮对安全吊的振动疲劳一直存在，而轨道波磨路段引起的振动会导致安全吊振动状态发生剧烈变化，导致安全吊的使用寿命缩短。地铁工作人员和维修人员等必须加强对安全吊管理工作的重视，及时处理轨道波磨等问题，延长安全吊的使用寿命。

参考文献：

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