關于提速貨車轉向架交叉支撐裝置壽命的研究

劉世軍

摘 要：隨著科研水平的提高和科學技術的發展，為鐵路貨車提速提供了可能。本文通過應力測試得出了交叉支撐裝置的載荷情況，結合桿身中部疲勞薄弱部位在實際的線路運行中的載荷情況和受損情況，為交叉支撐裝置的室內疲勞試驗提供了可靠依據。從疲勞薄弱部位的室內疲勞試驗應力譜進行分析，以應力壽命曲線來分析交叉支撐裝置疲勞薄弱部位的使用壽命，再根據等效原則，建立了交叉支撐裝置壽命預測的模型，能夠得出疲勞試驗加載次數和交叉支撐裝置的實際運行里數的對應關系，對鐵路貨車的運行情況進行有效監測，大大提高了鐵路運輸的安全性，有利于我國鐵路運輸事業的發展。

關鍵詞：提速貨車 交叉支撐裝置 壽命 研究

中圖分類號：U270 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（a）-0107-02

從國外鐵路貨車運行的經驗來看，交叉支撐裝置能夠顯著提高貨車的抗菱剛度，進而改善車輛的動力學性能，提高車輛運行對策安全性和臨界速度，能夠滿足我國鐵路貨車的提速要求。

為了保證交叉支撐裝置的性能安全，需要對交叉支撐裝置的運行情況進行分析，評估裝置的疲勞情況，確定裝置的損傷情況和疲勞壽命。目前，對交叉支撐裝置壽命評估一般是采用室內評估試驗方式，通過一定的加載循環次數進行評估。但是該種評估結果不能明確得出裝置的運用里程。因此，為了解決該項技術難題，可以采用動應力測試的方法，對裝置的損傷情況進行分析，進而確定裝置的運用里程和疲勞試驗的加載次數之間的關系。

本文以某線路上的交叉支撐裝置作為測試對象，進行動應力測試，以加載識別的方法進行評估，對交叉支撐裝置的運用里程和疲勞試驗的加載次數之間的關系進行探討。

1 動應力測試和交叉支撐裝置載荷分析

1.1 動應力測試

動應力測試目標在于為室內疲勞試驗創造一種與實際運行工況相近的載荷譜，確定該交叉支撐裝置的使用壽命。為了能夠給室內疲勞試驗創造一種與實際運行工況相近的載荷譜，應對該交叉支撐裝置進行載荷識別。對需要進行的載荷識別進行分析，區分載荷的不同性質，在離端頭約670 mm的斷面上設置測點，因為該處的應力梯度較小且應力信號較大，沿著該交叉支撐裝置布置測點。同時，為了估算出該交叉支撐裝置的桿身疲勞壽命，應該對桿身中部的疲勞薄弱部位進行測試，即應在接環焊縫處布置測點。如下圖的1～5測點。根據此前的交叉支撐裝置的桿身動應力測試的結果來看，在桿身斷面上，應在截面的上下沿交叉桿中設置軸線且應在垂直環焊縫除貼兩個應變片。如下圖的6、7測點。

從以上測點進行分析，可以得出一個應力時間歷程。根據1～5測點數據來看，該測點數據可以應用在載荷識別中，而6、7測點數據則主要應用于估算疲勞壽命。在該線路運輸過程中，通過6、7測點的連續應力時間歷程得到雨流計數，可以編制出應力譜，因為6測點動力應力比7測點大，因此，在表1中編制了6測點產生的8級應力譜。

1.2 載荷分析

通過受理、力分析，可以得知交叉支撐裝置的以上4種待識別的載荷分別為橫向力Q、垂向力P、軸向力R、扭矩M。結合圖1的斷面來看，以材料力學理論對1～5測點分布情況進行分析，可以得出以上4種載荷和測點應力之間的關系：

橫向力

垂向力

軸向力

扭矩

在該式中，d1、d2分別是交叉支撐裝置內外徑，分別為48 mm、38 mm，σ1～σ5為1～5測點的應力值。W彎是彎矩模的大小，W扭是扭矩模的大小，L為斷面與桿端之間的距離，為670 mm。將以上各測點實測的應力時間歷程和參數值代入到以上公式中，可以得出交叉支撐裝置的4種載荷時間歷程，由此編制出交叉支撐裝置的載荷譜，如表2～表5。

2 室內疲勞試驗

2.1 載荷確定

疲勞試驗采用的是齊車公司和上海同濟大學設計的裝置。該裝置通過對交叉支撐裝置施壓，從垂向位移和軸向位移情況來模擬了交叉支撐裝置實際載荷情況，由表2～5交叉支撐裝置的載荷譜可知，軸向荷載確定為±35 kN，且垂向的位移應為±5.3 mm，將加載次數定為200萬次。

2.2 應力譜

在上述加載裝置的運行過程中，對該交叉支撐裝置進行了改進，進行了200萬次的室內疲勞試驗之后，仍然能正常運轉。但如果要確定室內疲勞試驗的加載循環次數和交叉支撐裝置的實際壽命之間的關系，還應進行疲勞試驗，在裝置的疲勞薄弱部位進行室內疲勞試驗。在改進的室內疲勞試驗方案中，采集了桿身中部的對接環焊縫處的6測點的動應力數據，編制了6測點疲勞試驗的應力譜，如表6。

3 實際運行壽命和室內加載次數分析

為了確定室內加載次數和交叉支撐裝置的實際運行壽命之間的關系，還應該對構件損傷進行計算。構件損傷指的是疲勞初期材料的內部細微變化情況和裂紋形成及擴展情況。在隨機和變幅加載中，構件的疲勞損傷是由于不同幅值和不同頻率荷載產生的損傷，經過逐漸的累積過程而形成的結果。截至目前，已經明確指出的累積疲勞損傷有幾十種之多，以線性累計損傷法則來看，由于其使用方便，形式簡單，因而在工程中廣泛使用。本文也采用這種方法進行計算。

3.1 損傷計算

根據線性累計損傷法則，交叉支撐裝置室內疲勞試驗的應力譜的損傷應為。其中，ni是應力中的某級應力水平在試驗過程中出現的次數；Ni是某級應力水平下該構件的使用壽命，由應力壽命曲線來確定。其曲線方程如下：。在該式中，N為疲勞試驗的循環加載次數，取值為2×106。σ-1為桿身中部的對接焊縫的試驗值，再經過了2×106次的疲勞試驗的情況下，得出該處的疲勞極限。σ-1取值為82.6MPa，m是該曲線方程的系數，以該焊接接頭來說，一般取值為3.5。由此可以得出：，再將表6的各級應力值帶入到該式中，可以計算出交叉支撐裝置6測點在室內疲勞試驗的損傷為0.8491。再根據表1，可以計算出在該段線路中，將L取值為1973 km，則6測點的實測損傷應為0.001689。

3.2 壽命確定

為建立起一套疲勞試驗加載次數和交叉支撐裝置的實際運行里數的對應關系，以等損傷原則為依據，計算出了在200萬次的室內疲勞試驗中，其對應的實際運行里數如下：。由于測點6為桿身中部的對接環焊縫，是該交叉支撐裝置最薄弱的部位，因此，對該部位壽命的計算可以得出整個交叉支撐裝置的壽命。基于這一理論，可以得知，交叉支撐裝置在200萬次的室內疲勞試驗中，與實際運行100萬km的線路應具有同等作用。

4 結論

對提速貨車轉向架的交叉支撐裝置運行情況進行分析，通過室內加載試驗的方法，以應力分析和加載分析方法，能夠得出交叉支撐裝置實際運行里數和室內加載次數之間的關系，為貨車提速提供了參考意見。在提速貨車的交叉支撐裝置中，分別布置了若干個識別點，通過觀察計算，得出了該交叉支撐裝置在實際運行過程中的4種載荷條件和載荷譜。其中，最大的橫向力是225.04N，最大的垂向力是1039.40N，最大的軸向力是35.64N，最大的扭矩是288.49N，這些載荷數據分析為室內疲勞試驗的加載情況提供了參考依據。

在工程結構運用中，以等損傷原則為依據，建立起一套疲勞試驗加載次數和交叉支撐裝置的實際運行里數的對應關系。得出了交叉支撐裝置在室內疲勞試驗200萬次加載中，與線路實際運行100萬km的損傷情況相等，這些為以后的交叉支撐裝置運行情況和檢修提供了科學的參考依據。

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