城市轨道车辆称重与轮重减载试验台研究

周鸣语，姜衍猛，张昭英，王蔚，吴兴文

城市轨道车辆称重与轮重减载试验台研究

周鸣语1，姜衍猛2，张昭英2，王蔚3，吴兴文*,4

（1.南京地铁建设有限责任公司，江苏 南京 210000；2.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266000；3.西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 610031；4.西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031）

车辆静态轮重和轮重减载率一直以来是铁道车辆运营维护关注的重点，直接关系着车辆动态运营的脱轨安全性与黏着牵引特性。因此，设计了一种针对城市轨道车辆的称重和轮重减载试验台，具备车辆静态称重功能、轮重减载率测试功能、承载轨道功能和防倾覆功能等。为了进一步阐释试验台的可靠性，利用有限元方法对试验台结构焊缝静强度和疲劳强度进行了校核，针对典型地铁车辆验证了试验台称重和轮重减载功能。结果表明，城市轨道车辆称重和轮重减载试验台结构焊缝静强度和疲劳强度，能够满足使用要求。

城轨车辆；称重与轮重减载试验台；结构静强度；疲劳强度；焊缝

随着城市轨道交通车辆制造与检修技术的快速发展，生产检修人员不仅需要知晓车辆的轮重、轴重和整车重量，还需要掌握车辆在恶劣状态下运行的轮重减载情况，这些信息都直接关系车辆运行的安全性[1-3]。因此，无论城轨车辆制造厂或地铁公司检修段，都需要一台车辆称重与轮重减载测试设备，帮助检修人员掌握车辆重要信息，并判断车辆生产与检修是否合格[4]。目前，普通的车辆称重设备已经得到广泛应用，但是如何将不同尺寸的车型称重和轮重减载测试等诸多功能结合在一个平台上开发利用，却是行业内较少应用的情况[5]。南京地铁与青岛四方车辆研究所共同开发了一种集合城轨A型、B型车辆称重与轮重减载测试等多功能于一体的测试平台。本文介绍了该试验台的主要结构和功能，并利用有限元方法对试验台结构焊缝静强度和疲劳强度进行了校核；针对典型地铁车辆，验证了试验台称重和轮重减载功能。

1 车辆称重与轮重减载测试台

1.1 机械结构设计

新型车辆称重与减载测试台应满足城轨A型和B型车辆总装完后或出厂前的静态轮重、轴重和整车重量的测量，通过计算机处理后给出车辆轮重差、轴重差，确定其在静态时的重量和重量分配。此外，新型测试台还可以升降单边称重轨一定高度后对轮重测量，并进行减载率的静态检测，经过计算机处理后给出单边侧轮重差、轮重减载率。同时，新型测试台在不使用的状态下，允许工程车辆通过称重轨道的要求。

测试台要兼容A型车和B型车，两种车型的车辆定距不同、转向架轴距也不同，在车辆定位上需考虑称重单元的分配和称重单元的数量。具体兼容方案如图1所示，其中称重及轮重减载率测试台主要由5套具备升降功能称重单元（含显示仪表）、5套固定举升机构称重单元（含显示仪表）、1套测控系统（含数据采集及传输系统、工控机（含数据采集卡、打印机、控制台等）等组成，A型车与B型车共用左侧四个称重单元，而在控制台右侧多出了两组称重单元，用来作为A型和B型车进行车辆定距过渡单元，通过多出来的这两组称重单元满足15.7 m车辆定距A型车及12.6 m车辆定距B型车的称重测量，并考虑到空间布置和节约使用传感器。每套称重单元均安装有4个称重传感器，传感器安装于称重台底部对角四个位置，如图2所示。而具备升降功能的称重单元主要有承载钢结构、螺杆升降系统、滑动滚轮副、基本称重单元、辅助轨及防侧翻支座等，如图3所示，其中称重单元的防冲击以及防倾覆采用钢球式限位模块，通过调整各称重单元的纵向或横向限位螺钉，避免侧向力对称重单元计量精度的影响，保证了机车车辆在称重检测过程中的行驶安全。

1.2 试验台电气及控制设计

测控系统由工控机、显示器、打印机、测控软件、串口服务器、数据采集板、称重显示仪表、称重传感器接线盒、称重传感器、限位开关、编码器采集板、编码器、变频器、升降电机、电缆、UPS及蓄电池组成。各称重单元的四个称重传感器接入对应接线盒，经称重显示仪表处理后通过串口服务器与工控机通信；工控机控制升降装置对车辆进行举升；编码器实时反馈升降装置的举升高度；限位开关作为极限位置保护。原理如图4所示。

图1 城轨车辆称重与轮对减载测试台的布置原理

图2 单个固定机构称重单元

图3 单个具备升降功能的称重单元

图4 测控系统原理图

车辆称重与轮重减载测试台控制软件是由LabVIEW编写的应用程序。整个程序界面清晰、操作简便，具有数据采集、计算处理、数据存储、权限管理、检索以及打印测试结果等功能。

2 试验台有限元模型

2.1 称重台的有限元模型建立

为进一步验证试验台结构静强度和疲劳强度，采用HyperMesh进行网格划分、Radioss求解器进行数值求解、HyperView进行数据分析和后处理。模型中型材和板材结构采用二维壳单元进行模拟；螺栓采用一维梁单元进行模拟；车轮、钢轨、重量传感器及其它不适合采用壳单元进行模拟的结构均采用三维实体单元进行模拟，非结构质量采用点质量单元来模拟。单元尺寸约10 mm，整个模型共包括1,557,500个节点、1,730,665个单元。图6为称重台整体有限元模型，包括两种功能称重单元的有限元网格图与A型通用车辆的有限元网格图。

其中整车称重及轮重减载率测试系统的主钢结构选用低合金结构钢Q345，详细材料属性如表1所示。对非主钢结构件仅考虑其刚度以及重量的影响，对其强度不进行评估。

2.2 分析工况制定

整车称重及轮重减载率试验台主要存在静态称重状态、单轮举升状态和单侧举升状态等三种工作状态。静态称重状态：车辆到位后，通过8个称重单元，对车辆进行8点称重，计算出车辆轮重差、轴重差，确定其在静态时的重量和重量分配；单轮举升状态：车辆到位后，带举升装置的称重单元将转向架单个轮子或者某几个轮子举升一定高度后，通过测控系统得到轮重差、轴重差及轮重减载率；单侧举升状态：车辆到位后，带举升装置的称重单元将车辆单侧所有轮子举升一定高度后，通过测控系统得到轮重差、轴重差及轮重减载率。车辆称重和轮重减载率测试受力状态如图7、图8所示。称重单元通过螺栓连接固定在安装基座上，有限元分析中约束称重台底部安装点的全部自由度，同时约束与基座接触面的垂向自由度，如图9所示。制定出的称重台分析工况，如表2所示，F00工况为静态称重状态，此时各轮抬升高度0 mm，进行静强度、疲劳强度分析；F11工况为单轮称重状态，此时将转向架单个轮子或者某几个轮子举升150 mm，进行静强度、疲劳强度、轮重减载率分析；F21工况为单侧称重状态，此时车辆单侧所有轮子举升150 mm，进行静强度、疲劳强度、轮重减载率分析。

图6 称重台的有限元模型

图7 静态称重受力及参数示意图

图8 减载率试验受力及参数示意图

3 试验台焊缝静强度及疲劳强度评估方法

3.1 焊缝静强度

根据设计要求，试验台母材区域最大等效应力在各种工况下应该小于材料屈服强度。而试验台结构中焊缝主要涉及3种类型，焊缝的各个应力分量由相邻母材单元的应力计算得出，焊缝应力分量示意如图10所示，具体计算方法如表3所示。其中：σ⊥、σ||、τ⊥与σ||分别为焊缝的垂向正应力、平行正应力、垂向切应力与平行切应力，MPa；⊥、||和⊥分别为焊缝相连单元的垂直焊缝正应力、平行焊缝正应力和垂直焊缝切应力，MPa；为板厚，mm；为焊缝的高度，mm。

表1 称重台主体结构的材料属性

注：为板材的厚度，mm。

图9 称重台边界条件示意图

表2 分析工况表

图10 典型焊缝及焊缝应力计算类型示意图

表3 焊缝应力分量计算

焊缝等效应力由焊缝应力分量σ⊥、σ||以及τ⊥计算得出，上述各应力由邻近焊缝壳单元应力⊥、||及⊥确定。

焊缝等效应力计算式为：

焊缝静强度安全系数计算式为：

3.2 焊缝疲劳强度

焊接结构疲劳寿命的影响因素很多，比如焊接方式、方法和焊缝长度等[4]。该称重台在设计使用年限内循环载荷按1.0E5次进行考核。并且假设所有焊缝均满足EN 15085的相关要求，焊缝等级为CP C2。本文采用DVS 1612进行疲劳强度的考核，由于该标准对应的疲劳寿命为2.0E6次，计算时将相应的疲劳极限强度转化成1.0E5所对应的疲劳极限。焊缝疲劳强度利用系数由下式进行计算：

垂直于焊缝的材料利用系数为：

平行于焊缝的材料利用系数为：

剪切焊缝的材料利用系数为：

式中：⊥、||zul和⊥为焊缝的垂向疲劳强度、平行疲劳强度和剪切疲劳强度，MPa。

故，焊缝等效的材料利用系数UF为：

则，焊缝的最大利用系数可表示为：

根据DVS1612，焊缝疲劳强度利用系数应该满足max≤1.0。

对于⊥、||zul和⊥由DVS 1612获得。该值与焊缝类型、焊接等级、受力方向、应力比、屈服强度、板厚等众多因素相关，MKJ曲线如图11给出。

图11 DVS1612中规定的焊缝MKJ曲线

4 试验台结果分析

4.1 母材静强度校核结果及评价

计算结果表明称重台的最大应力，出现在F11工况下，为233.6 MPa，小于材料的屈服强度（16 mm≤板厚≤35 mm）325 MPa，其最小安全系数为1.4，满足设计要求。该工况下的应力云图，如图12所示。最大应力出现在钢轨外侧防脱轨安全装置上，主要是由于F11工况为单轮抬升工况，车轮一侧抬升后会在横向产生横向分力，导致防脱轨安全装置承载。

图12 称重台的Mises应力云图（F11工况）

4.2 焊缝静强度校核结果及评价

车辆称重台是焊接结构，因此有必要对焊缝进行强度校核。根据3.1节给出的焊缝静强度评估准则，对整车称重及轮重减载率测试系统各静态工况进行校核。计算结果表明，焊缝最大应力出现在F11工况（单轮抬升称重工况）。材料的屈服强度取较小值（16 mm≤板厚≤35 mm）325 MPa，其最小安全系数为2.03，满足静强度的设计要求。该工况下的焊缝静强度安全系数云图，如图13所示。

图13 称重台的焊缝安全系数云图（F11工况）

4.3 焊缝疲劳强度校核结果及评价

根据设计要求，称重试验台需要在使用寿命期间完成1.0E5次称重，因此需要对关键焊缝进行疲劳强度设计。利用3.2节给出的方法，对各个工况焊缝疲劳强度进行校核。计算结果表明，焊缝疲劳强度利用率最高的工况出现在F11工况（单轮抬升称重），最大材料利用率为0.91，满足焊缝疲劳强度的要求。称重台焊缝在该工况下的疲劳强度材料利用率分布云图如图14所示。

图14 称重台的焊缝材料利用率分布云图（F11工况）

4.4 轮重减载率校核结果及评价

车辆轮对在经过镟修工艺后，轮对轮径会存在偏差，需要通过试验台测试初始轮重减载，从而控制车辆4条轮对的轮径差。本章节利用试验台有限元模型，验证试验台轮重减载率测试方案的可行性。首先分析各个工况下车轮和钢轨接触力，根据GB 5599－1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》[6]，计算各个工况轮重减载率。表4中列出了各工况下的最大轮重减载率。结果表明，F11工况单轮抬升150 mm后，转向架两个轮对的轮重减载率明显增大，而对另外一端转向架轮重减载率影响不大。F21工况中车辆单侧车轮抬升，车辆4条轮对轮重减载率相差较小，且减载率小于F11工况单轮抬升的情况。由此说明，本文设计的试验台可以有效模拟车辆轮重减载的情况；对由于车轮镟修导致车辆4条轮对轮径不一样的情况，可以测试由此带来的车辆轮重减载情况，对车辆运营维护安全性具有重要意义。

表4 各工况下的最大轮重减载率

5 小结

本文介绍了新型车辆称重与轮重减载测试台的技术特点。在结合功能介绍与整体布置的基础上，阐述了测试台的设计组成。并且利用有限元分析软件，对整个车体在不同工况下的举升过程中存在的风险进行了全面的分析，同时也对测试台的结构进行了强度校核。分析结果表明：整车称重及轮重减载率测试系统在所分析工况条件下，其结构静强度、焊缝静强度和焊缝疲劳强度能够满足设计要求，试验台具备称重和轮重减载率测试的功能。

[1]魏晓斌，雷新红. 城轨车辆轮重减载率动态测试方法的研究[J]. 机车车辆工艺，2015（6）：1-3.

[2]张睿诚，齐静，杨昌棋. 车门焊缝疲劳寿命问题研究[J]. 机械，2017，44（4）：15-18.

[3]尹太国，李伟，张鹏，等. 地铁车辆一系钢弹簧中高频动态特性分析[J]. 机械，2019（6）：1-7，41.

[4]张放，姜波，李明. 多功能机车车辆称重台的设计与应用[J]. 科技应用，2004（4）：22-27.

[5]胡彩凤. 称重调簧试验台控制系统研究及调簧设计成都：西南交通大学，2012.

[6]GB 5599－1985，铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范[S].

Research on Test-Bench for Weighing and Wheel Load Reduction of Urban Rail Vehicles

ZHOU Mingyu1，JIANG Yanmeng2，ZHANG Zhaoying2，WANG Wei3，WU Xingwen4

( 1.Nanjing Metro Construction Co., Ltd., Nanjing 210000, China;2.CRRC Qingdao Sifang Vehicle Research Institute Co., Ltd., Qingdao 266000, China;3.School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China4.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu610031, China )

Vehicle static wheel weight and wheel load reduction rate, which are directly related to the derailment prevention and the adhesion traction of vehicle dynamic operation, have always been the focus of railway vehicle operation and maintenance. Therefore, this paper designs a test-bench for the weighing and wheel load reduction of urban rail vehicles with the function of static weighing, wheel load reduction rate testing, track-bearing and anti-overturning. In order to further explain the reliability of the test-bench, the static strength and fatigue strength of the welds the test-bench were checked by finite element method, and the reliability of the weighing and wheel load reduction function of the test-bench were verified on typical Metro vehicles. The results show that the static strength and fatigue strength of the weld seam of the test-bench for weighing and wheel load reduction of urban rail vehicles can meet the requirements of operation.

urban rail vehicles；test bench for weighing and wheel load reduction；static structural strength；fatigue strength；weld seam

U231+.94

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.02.006

1006－0316 (2020) 02－0031－08

2019－05－16

四川省苗子工程（2018RZ0105）

周鸣语（1982－），江苏南京人，本科，高级工程师，主要从事地铁车辆运营维护工作。

吴兴文（1988－），四川成都人，博士，副教授、硕士生导师，主要研究方向为车辆系统动力学及振动疲劳。