臺車架橫梁測試方法研究

王小剛+王春香+于灝+趙鈺龍

摘 要：本文從斷裂機理出發通過有限單元法分析確定疲勞關鍵部位，依據運動特性分解基本載荷系，分析國內外研究成果，進而提出測試方案，方案包括信號的測試和數據處理等內容。此測試方案運用于實際對生產與設計都有一定的參考價值。

關鍵詞：干熄焦 臺車架 測試方法

中圖分類號：U461.91 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0111-03

干熄焦車的主要部件與火車的轉向架一樣，臺車架主要的作用是聯系車輪與車體。支撐車體所有重量包括車體零部件與車上載荷，所以臺車架的工作狀態直接決定了整車的運行情況與安全情況。經過實際測試，干熄焦車中最易發生破壞的零部件就是臺車架橫梁。因此，能夠準確、有效地計算和測試臺車架橫梁的應力、應變等信息對于設計與生產都非常重要[1-2]。為確定橫梁的破壞原因，本文應用有限元法分析確定了臺車架的疲勞關鍵部位[3]，提出了一套測試臺車架疲勞關鍵部位應力的測試方法，分析了載荷并確定了測定位置、制定了測試電路和選定了采樣頻率，詳細介紹了信號處理的必要性與基本的步驟[4-5]。此測試方案運用于實際對生產與設計都有一定的參考價值。干熄焦車臺車架（如圖1）在使用過程中經常出現橫梁斷裂如圖2所示。

1 工況分析

對臺車架進行分析，首要的是了解干熄焦車臺車架的運行情況。干熄焦車的構成如下：每個臺車架上安裝有兩個輪軸，每輪軸上安裝車輪一對。車輪運行于鐵軌之上，鐵軌型號p50。每干熄焦車需臺車架兩組，在兩組臺車之上安置主梁一架。干熄焦車在工作時會搭載提升主梁一架、焦罐一個、焦炭21t。其工況如表1所示。整個運焦過程共用時20min，最大載荷時應力為58.6MPa，如圖3所示。滿足靜強度條件，其斷裂原因需要進一步實驗探究。

2 測試系統

本研究主要測試臺車架橫梁應力關鍵處的應力，采用同步連續測試系統[3，5]。測試系統由：被測橫梁、傳感器（應變片）、信號采設備、存儲設備和供電設備組成。采集設備采為HBM公司eDAQ數據采集設備。eDAQ小巧耐用，可獨立工作，適應能力高，適合礦山、冶金與農業機械，是專門為采集數據與實時監控數據而設計，采用了大容量的存儲設備，有效防止了數據過大溢出損失寶貴數據，供電可以采用獨立電池供電，不但可以降低電壓變化的影響而且操作靈活，便于攜帶和布置測試系統。

3 測量電路

應變片的工作原理是應變-電阻效應，在實際的測試中，橫梁的變型是十分微小的。所以需要測量電路，把電阻的變化轉變成模電信號，然后再通過放大就可以得到測試需要的數據了。應用最廣的就是惠斯登電橋（如圖4），其中ac端接電源，bd為輸出端，輸出電壓為V0：

4 測點布置

為了保證測試的準確可靠，同時又盡可能地降低測試的成本。第一步要準確確定疲勞關鍵部位。采用理論與實際相結合的方法。一方面統計臺車架橫梁斷裂紋的位置，在坐標系中畫出這些裂紋，然后找到其破壞中心位置。另一方面采用現在比較流行的有限元分析方法，建造三維實體模型，用軟件分析找到其疲勞關鍵部位（如圖3所示）。其中黃色部位是應力集中部位，也就是疲勞關鍵部位。這與實際中破壞的部位是一致的，所以在此處安裝傳感器（如圖5所示）。

5 采樣頻率

采樣頻率要依據臺車架的最高頻率進行指定。實際測試中常取被測系統最大頻率的10倍作為采樣頻率。可以有效抑制縮減混疊現象，避免不必要的信息損失。較高的采樣頻率可以提供高的分辨率。但是高采樣頻率會占用大量內存和增加處理時間，耗費資源與增加研究周期，所以取到合適頻率就好，不可一味追求高采樣頻率。有軌車輛的實際載荷時間歷程頻率在40Hz以下[5]，所以取500Hz進行采樣。

6 信號處理

首先要對實測信號進行預處理，然后對其進行正式處理。測試儀器十分復雜現場條件較差，所以測試難免受到影響，得到與研究無關甚至有害的信號。因此需要對采集的信號進行預處理，包括：去除毛刺、去除零點漂移和濾波處理。電磁干擾或是臺車架顛簸碰撞都有可能造成毛刺生成，毛刺信號往往頻率較高，振幅較大而且十分隨機，其對應力譜高頻分量的影響十分大，所以為了應力譜的準確性與有效性就一定要去掉數據中的毛刺，去除毛刺信號前后對比如圖6。由于在疲勞研究中，最重要的不是應力-時間歷程中的過渡值點，而是峰谷值，峰谷值的數目與疲勞壽命有直接聯系，所以要對極值點進行挑選，挑選前后比較如圖7。橫梁的工作環境溫度變化相對復雜，車體也會有一定的溫度變化。用來測試的電子原件在感受到溫度變化后，就會出現一定程度的誤差。其直接體現就是整個載荷譜隨時間而偏離零點即產生零點漂移。如不去除則會影響到結果精度和加大后期處理難度。根據相關研究可推測臺車架的激勵應小于40Hz，而高于這一頻率的激勵對臺車架的破壞有限，所以采用低通濾波濾掉40Hz以上的干擾信號。處理載荷時間歷程的方法很多，但是目前應用最廣的方法便是雨流計數法[5]。這一計數方法與材料疲勞損傷具有內在聯系，雨流計數后的數據即可用于編制應力譜。

7 結語

本文運用有限元方法分析計算出了臺車架疲勞關鍵處，由此制定了一套測試方案。詳細介紹了信號采集、數據處理等內容、對應力譜的建立有指導作用，對臺車架的設計與改進都有重要意義。

參考文獻

[1] 張秋強，譚豫章，董興宏.我國干熄焦技術的回顧與現狀分析[J].燃料與化工，2010，41（5）：4-6.

[2] 李昆.沖擊載荷下機械零部件疲勞分析方法及其應用研究[D].合肥：合肥工業大學，2013.

[3] 趙方偉.鐵路貨車車體載荷譜測試及疲勞強度評價研究[D].北京：北京交通大學，2015.

[4] 高云凱，方劍光，謝明聰.框架式重卡駕駛室疲勞分析與評價[J].同濟大學學報，2012，40（5）：721-728.

[5] 張曙光.高速列車轉向架載荷譜測試與建立方法的研究[J].中國科學，2008，38（11）：1806-1814.endprint