城轨车辆长期服役过程中关键部件疲劳寿命性能研究

权光辉,王 晖

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 266111)

城市轨道交通具有运输量大、节能环保和乘坐方便舒适等诸多优势,发展城市轨道交通成为促进城市交通发展、优化城市空间布局的重要途径[1]。我国城轨车辆客流量大,运用条件复杂,线路多样性强,其关键部件的疲劳可靠性面临着严峻考验。车体和转向架构架均为城轨车辆系统中的关键承载结构,其疲劳可靠性对于车辆的安全运行至关重要。在城轨车辆长期服役过程中,转向架构架强度不足引发的疲劳失效问题时有发生,包含电机吊座、齿轮箱吊座、弹簧帽筒、横侧梁连接部、横纵梁连接部、垂向止挡座等部位。FU[2]、王斌杰[3-5]、谢树强[6]等针对B型地铁车辆转向架构架出现的疲劳裂纹问题,在线路上实测了相关部件应力和加速度并进行了时域和频域分析,结果表明轮轨激励激发了构架产生高频共振,导致疲劳裂纹发生,并在此基础上提出了车辆和轨道线路的维护建议。

在城轨车辆实际服役环境下,开展动应力试验是准确评估车辆部件疲劳强度的重要手段。张浩楠[7]基于长周期实测动应力数据编制了疲劳应力谱用于地铁车辆转向架构架疲劳强度评估。SEO 等[8]等通过静载荷试验、疲劳试验和线路试验评估了全尺寸城轨车辆转向架构架的疲劳强度,结果表明某些位置的应力和应变呈多轴状态。张震[9]以B型地铁转向架构架为研究对象,分析了构架动应力与运行条件的关系。

本文研究的国内某城轨地铁,其线路是目前地铁运营线路中客流量最大、运能最高的线路之一,特别在早晚高峰或节假日期间,满载率高,乘载时间长,庞大的客流导致列车长期超载运营,这些因素对车辆部件的安全性提出了更高的要求。通过测试实际服役状态下地铁车辆转向架、车体关键部位的动应力数据,可准确评估车辆结构的疲劳强度,同时为优化车辆运维策略提供数据支撑。

1 研究方案

1.1 有限元仿真计算

通过有限元仿真计算构架疲劳强度的关键部位的应力,进而确定动应力测点位置。加载位置和载荷工况按JIS 4207:2004《铁路车辆 转向架 转向架构架强度设计通则》[10]进行。图1为各测点应力均值和幅值分布Goodman图,通过疲劳计算结果可知:超过非打磨焊缝疲劳强度许用值的位置有电机安装座焊缝、一系弹簧座焊缝和空气弹簧座焊缝,这些区域需要重点关注。

图1 疲劳计算Goodman图

1.2 线路测试

测试车辆为3动3拖的编组形式,分别选用Tc车1台转向架,M0-2车1台转向架和1辆车体作为研究对象,其中M0-2车转向架为动车转向架,Tc车转向架为拖车转向架,具体位置见图2。

图2 测试转向架位置

动应力测点位置根据有限元分析结果和转向架台架试验测得的应力数据确定,应变片布置在相应测点的主应力方向。由于焊接接头具有易产生原始缺陷和形成应力集中的特点,极易出现疲劳损伤,测试布点时对焊缝位置进行了重点关注。如图3所示,采用4个应变片组成全桥电路方法以有效实现对工作区域应变片的温度补偿,消除测试环境温度对应力数据的影响。采用IMC数字式动态信号采集系统对动应力数据进行连续采集,采样频率设置为2 000 Hz,以保证测试数据的真实性。

ε1—工作片;ε2、ε3、ε4—补偿片;Uin—桥压;Uout—信号。

2 疲劳强度评估方法

2.1 应力谱编制

在实际运用条件下,动应力是一个随时间变化的复杂历程,在进行疲劳评估时首先将动应力的整个时间历程整理成应力谱形式,采用雨流计数法进行循环计数处理。需要说明的是,结构的应力谱一般由若干级大小不同、循环次数不等的应力所构成。对于城轨车辆的转向架构架和车体结构而言,取32级应力谱可以满足并可靠地反映实际的动应力历程。

2.2 等效应力幅值计算

与静强度问题不同,结构疲劳强度是一个损伤不断累积直至最后断裂的过程。在变幅的载荷作用下,结构件不同位置的疲劳损伤逐渐累积,超出一定限值后发生断裂,不同级别的应力水平均会对损伤产生影响。本文通过等效应力进行评价,考虑了不同应力级下的疲劳损伤贡献,该等效应力可以反映当前车辆测试部件位置的工艺状态、运用状况和运用里程(运用时间)下的动应力。将计算所得的等效应力与可靠度下的疲劳极限进行比较,可以评估部件在一定的运用条件和指定可靠度下的疲劳强度。

本文采用Miner线性疲劳累计损伤法则和NASA推荐的S-N曲线计算等效应力,可合理考虑各个级别下应力对疲劳损伤的影响。等效应力的计算方法如式(1)所示:

(1)

式中:L为轨道车辆转向架在规定使用年限内的总运用里程,取396万km(每年运营12万km,总寿命为33年);L1为实测动应力数据对应的公里数;σ-1ai为各级应力幅值;ni为不同应力级别对应的循环次数;m为S-N曲线参数,对于转向架构架焊接结构,一般取为3.5,对于普通钢的母材,一般取5;N为疲劳极限所对应的循环次数,对于焊接结构一般取200万次,对于母材一般取1 000万次。

2.3 疲劳强度评估判据

在进行轨道车辆部件疲劳强度评估时,国际上普遍采用许用疲劳极限作为判据。国内外对结构疲劳强度的研究表明,许用疲劳极限主要取决于材料的S-N曲线、表面系数、疲劳缺口系数等。本文参照JIS 4207:2004标准的要求,碳钢焊缝不打磨时疲劳容许应力为70 MPa,碳钢焊缝打磨时疲劳容许应力为110 MPa。

在进行转向架结构疲劳强度评估时,比较各测点运行公里数的等效应力与许用疲劳极限,如果等效应力小于许用疲劳极限,则表示能够安全运行。否则不能保证安全运行,需要降低运行公里数,即减小等效应力,直至其小于许用疲劳极限。

3 结果及分析

3.1 每日运行里程统计数据

对同一列车辆的每日运行里程进行统计,为后续等效应力计算提供数据支撑。车辆每日运行里程统计见图4。由图4可见,该地铁列车每日运行里程最大值超过600 km,属于国内运能较高、较为繁忙的地铁线路。

图4 每日运行里程统计

3.2 动应力与列车载重的关系

图5～图10为一天内不同测点的动应力测试数据与载重的关系曲线,其中载重数据为整列车的载重。

图5 车体动应力与载重的关系曲线

图6 轴箱体动应力与载重的关系曲线

图7 空气弹簧座焊缝动应力与载重的关系曲线

图8 一系弹簧座焊缝动应力与载重的关系曲线

图9 牵引拉杆座焊缝动应力与载重的关系曲线

图10 构架横梁和纵梁焊缝动应力与载重的关系曲线

由图5～图10可知:

(1) 车体牵引梁盖板处动应力时域波形与当天载重变化规律一致;

(2) 转向架构架测点轴箱体、空气弹簧座焊缝、一系弹簧座焊缝动应力时域波形与当天载重变化规律一致,而牵引拉杆座焊缝以及构架横梁与纵梁焊缝与当天载重变化规律不完全一致;

(3) 牵引拉杆座焊缝存在正负值交替变化的趋势,分析原因应为车辆上下行交替运营,车头和车尾交替,应力正负值发生变化所致。

以上结果表明,车体和转向架典型部件关键位置应力幅值与列车载重具有强关联性,长期大负载运行会增加车辆关键位置的动应力,从而影响车辆部件的疲劳寿命。

3.3 等效应力分析

图11～图13为构架及车体测点每日等效应力变化趋势。纵梁与横梁连接焊缝、牵引拉杆座焊缝的等效应力较大,最大值超过70 MPa。构架空气弹簧座焊缝和一系弹簧座焊缝等效应力维持在较高水平。根据2.3节中的疲劳强度评估判据,需要对构架区域一系弹簧座焊缝、空气弹簧座焊缝、牵引拉杆座焊缝、纵梁与横梁连接焊缝等进行打磨处理。

图11 纵梁与横梁连接焊缝、牵引拉杆座焊缝等效应力随日期的变化曲线

图12 构架空气弹簧座焊缝、一系弹簧座焊缝等效应力随日期的变化曲线

图13 车体盖板焊缝等效应力随日期的变化曲线

各测点等效应力变化规律基本一致,由于受假期限流影响,地铁载客量明显减小,故各测点当天等效应力均明显降低,其余时间段除车体测点外,其他测点均处于高应力水平。

4 结论

本文跟踪测试了长期服役状态下某地铁车辆转向架、车体关键部位的动应力,获得了动应力与列车载重变化的关系,依据Miner线性疲劳累计损伤法则计算了各测点的每日等效应力,结论如下:

(1) 车体和转向架关键部位处的应力幅值与列车载重具有强关联性,长期大负载运行增加了车辆关键位置的动应力,影响车辆关键部件疲劳寿命。

(2) 转向架构架纵梁与横梁连接焊缝、牵引拉杆座焊缝位置的等效应力较大,最大值超过70 MPa,构架空气弹簧座焊缝和一系弹簧座焊缝位置等效应力维持在较高水平,必须对关键焊缝进行精细打磨处理。