焊接轉向架構架線路載荷的特征與應用分析

劉 鵬 趙 凱

沈陽地鐵集團有限公司運營分公司

1、研究意義

隨著鐵路運輸的發展，軌道車輛的運用條件(速度、載重等)發生了改變，車輛自身運行狀況必然也會隨之變化。然而，無論高速鐵路還是城市軌道交通，安全運營始終是車輛運行的首要問題，其中車輛結構疲勞強度問題顯得尤為重要。

轉向架構架是軌道車輛走行部中的關鍵部件，其結構強度的可靠性設計及試驗評定是車輛能夠安全運營的重要保證。大多客運轉向架采用H型箱形梁焊接式構架，從是否具備動力上可分為動車轉向架和拖車轉向架，其中動車轉向架提供車輛運行所需動力，結構和受載情況更為復雜。對車輛結構疲勞強度問題的研究通常從結構所受的載荷出發，以載荷為依據，進一步確定載荷作用下的結構疲勞強度。車輛運行時構架的載荷數目較多并都具有隨機性，這些載荷禍合作用在一起，共同對構架的疲勞損傷產生影響。構架載荷是分析構架疲勞強度及可靠性問題的基礎，并可以由載荷推斷出構架在全壽命周期內的損傷特性。

隨著近幾年高速鐵路的不斷提速、城市軌道交通載客量的不斷增大，列車的運行狀況較以前己有較大改變，車輛的品種也逐漸增多，同時線路條件也可能隨運營時間發生變化，從而導致構架載荷發生變化。因此，依據標準設計的轉向架構架在應用時可能會由于疲勞強度不足而存在安全隱患。所以，對焊接構架真實線路載荷的特征研究非常有必要。

2、焊接轉向架構架線路載荷分析

2.1 動態載荷識別方法

動態載荷識別是動力學的兩大反問題之一，它是在己知系統特征和系統響應的條件下，識別系統的外部載荷。一般情況下，我們通過測量系統的位移、加速度、速度等響應信號，利用已知的系統特性可以實現系統的載荷識別。

動態載荷識別從理論基礎及識別特點上看，動態載荷識別可分為頻域法和時域法。頻域法的特點是將系統的動力學數理方程轉化至頻域，根據“載荷·響應”在頻域內的傳遞函數矩陣來識別動態載荷，通過傅立葉逆變換實現信號的時頻域轉換。而時域法的特點是建立系統輸入與輸出之間的復雜卷積關系，在獲取結構響應的情況下，利用這種卷積關系直接獲得結構的載荷信號。此外，還有學者發展了基于其他理論的一些載荷識別方法。

2.2 焊接轉向架構架載荷識別方法

在動態載荷識別研究領域己經形成了大量的理論方法，這些方法具備鮮明的優缺點，一般都有各自的應用領域，針對某些問題時可能是卓有成效的，但在某些大型工程結構載荷識別問題上(轉向架構架的載荷識別正屬于這類情況，仍然存在較大的局限，主要的局限體現在以下幾個方面：

1)最適合載荷識別的測試部位無法安裝測試傳感器；

2)識別結構自身屬性的試驗邊界條件(如模態識別，等)無法與實際邊界條件一致；

3)結構過于復雜，同時結構上載荷的藕合程度過高，使載荷在解禍識別過程中產生較大誤差；

4)需要識別的構架載荷持續時間很長，進行相關載荷識別積分運算時，耗時巨大、結果易發散，導致識別方法不可實現；

5)沒有足夠大功率的激振器，對復雜大型結構的“載荷一響應”傳遞關系進行有效的動態標定。

2.3 焊接結構疲勞強度評估方法

2.3.1 名義應力法。名義應力是結構所受載荷除以所關注截面面積得到的應力值，也就是所關注面積上的平均應力值。將名義應力作為設計參數的疲勞 強度計算方法就是名義應力法，這也是最早的抗疲勞設計方法。該方法從材料的S-N曲線出發，考慮材料變為結構后的各種影響系數(加載類型、表面質量、尺寸效應、缺口效應等)，推出結構的S-N曲線，根據所得結構S一N曲線進行抗疲勞設計與疲勞強度計算。

2.3.2 局部應力應變法。局部應力應變法主要針對低周疲勞的情況，用應變壽命曲線代替應力壽命曲線，用循環應力應變曲線替代單調應力應變曲線。該方法認為結構破壞起源于應變集中部位，且裂紋萌生前會產生一定的局部塑形變形，局部塑性變形便是疲勞裂紋萌生和擴展的前提條件，決定結構疲勞強度和疲勞壽命的參數便是應變集中處的最大局部應變，因此該方法以應變集中處的局部應力應變為參數進行抗疲勞設計與計算。

2.3.3 損傷容限法。方法假定結構中存在初始裂紋，然后應用斷裂力學方法估計結構的剩余壽命，并通過試驗進行驗證。斷裂力學所采用的數學模型多采用應力強度因子或守恒積分等裂紋擴張速率公式，來確定交變載荷下主裂紋的擴張規律。根據所得規律，確保裂紋在使用期限內不會擴展到引起結構破壞的程度。

2.3.4 概率疲勞設計法。該方法也稱為疲勞可靠性設計方法，是抗疲勞設計與率統計方法相結合的成果。首先確定結構工作應力的統計分布與結構疲勞強度的統計分布，然后用干涉模型進行結構疲勞強度的可靠性設計與計算。

總之，轉向架焊接型構架在實際運行時所受載荷數量較多，各載荷又禍合在一起共同對結構的疲勞損傷產生影響，不同的車型所采用的構架形式也可能大不相同，因此焊接構架載荷研究是一個復雜且困難的研究問題，需要重點加強研究。

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[2]張昭.209P轉向架焊接構架疲勞壽命研究[D].北京交通大學，2015.

[3]王建斌.高速動車組轉向架構架強度設計與試驗驗證[D].西南交通大學，2010.

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