基于UIC—ORE準則的轉向架構架疲勞試驗研究

李偉 傅志紅

摘 要：轉向架構架對于列車的安全穩定行駛具有至關重要的作用，為實現對單軌高架游覽車轉向架構架的疲勞壽命校核，本文依據UIC-ORE標準，對在軌運行的列車構架進行應力測量，通過處理得到了有效的應力循環，并結合幾何模型、材料屬性在MSC.Fatigue軟件中進行了疲勞校核，計算結果表明該轉向架的疲勞強度滿足要求。

關鍵詞：轉向架構架；疲勞壽命；UIC-ORE

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.008

1 引言

軌道交通所使用的車輛部件，由于加工工藝很多為焊接，且在運行過程中受到復雜的外部載荷，導致在長期的運行過程中容易出現一些局部缺陷或者殘余應力。在這些情況下，甚至不超過許用載荷的外力會致使構件發生破壞，危及列車的平穩運行。一般而言，把這種材料在這種長時間的循環非恒應力或非恒應變作用下發生局部的不可恢復的強度變化，最終一致形成裂紋或導致構件失效的現象，稱之為疲勞。疲勞與普通的短時間喪失強度屬性不同，這種現象的發生，一方面，由于材料自身在加工之時存在一些殘余應力或者缺陷；另一方面，與某一長期作用的應力集中有關。

大量文獻表明，疲勞破壞對于機械零件失效的貢獻很大，有50%～90%的事故是由于疲勞失效所導致的。由于單軌高架游覽車是一種在室外運行的列車，其運行條件復雜，且由于人員的上下導致車輛保持運行在循環載荷下，其在長時間工作下的疲勞壽命也是研發人員所關心的一個關鍵問題[1]。而作為列車的主要承載構件，轉向架構架需要承受車輛的垂直載荷和預應力。在長期的、復雜的交變應力作用下，構架將產生一定的疲勞損傷，而隨著時間的發展，構架可能在未達到材料強度極限的應力作用下而發生結構破壞[2]。所以，列車設計時針對特定載荷下的轉向架構架疲勞分析和壽命預測對車輛的長期平穩安全運行至關重要。

本文針對中車集團研制的單軌高架游覽車，采用現場實測的方法對實際工作環境中運行列車行走部的鉸接式轉向架構架的應力狀態進行檢測，采用雨流計數法對實驗結果進行分析，從而提取載荷譜實現基于UIC-ORE標準的轉向架構架疲勞校核。

2 UIC-ORE標準

2.1 UIC-ORE標準簡介

UIC標準是一種旨在促進國際間鐵路行業交流合作而發布的一系列標準，這些標準包括鐵路設計、施工、運行、維修，車輛和安全的一列規范[3，4]。UIC615-4標準是用來專門指導轉向架強度研究的規范，這一標準中包含了眾多力學實驗，其中疲勞試驗的測試目的是確定轉向架的壽命、評估安全裕量、檢查靜強度沒有識別的隱藏的弱點。

2.2 UIC-ORE疲勞評定具體流程

在機車車輛承載結構設計階段，其疲勞強度的考核主要依據相關設計和試驗標準規定的計算載荷和載荷工況實施，疲勞強度評定流程如下[5]。

（1）確定承載結構的計算載荷和載荷工況；

（2）按力學方法或有限元方法計算每個載荷工況下結構的應力分布；

（3）按一方法將不同載荷工況下的多軸應力轉化為單軸應力；

（4）按式確定結構不同位置的平均應力、應力幅或應力比；

（5）繪制材料的修正的曲線，并將上一步中的計算值投入其中進行疲勞評估。

3 載荷譜獲取試驗

載荷譜是疲勞壽命估算的三大要素之一，其代表了列車在特定行駛環境下所受到的應力-時間歷程。載荷譜一般受到運行條件、使用情況、結構特性的影響，而這些因素又相互影響，其關系如圖1所示。

能否正確獲取到有效的載荷譜將極大地影響疲勞分析結果，一般而言載荷譜的獲取主要通過兩種方式，現場實測和模型仿真。本文采用現場實測的方式，獲取單軌鉸接式游覽車在實際工況下的載荷變化情況。

3.1 試驗系統

試驗系統主要由應力應變采集裝置（電阻式應變片、端子片）、德國IMC devices數采系統、存儲與分析系統（計算機）、屏蔽系統（屏蔽信號線）等組成。

3.2 試驗方案

由于此次設計的轉向架為新型轉向架，沒有較多經驗可以遵循。在進行現場實測前，應對轉向架構架的受力狀態進行分析，以得到列車運行過程中的最危險點，從而有針對性地獲取具有代表性的載荷譜。通過建模、劃分網格等過程得到了在該種列車在6種典型工況（滿載靜止工況、轉彎工況、制動工況、牽引工況、轉彎制動工況、轉彎牽引工況）下的應力、應變分布云圖和模態分析結果。

計算結果表明，在轉向架構架的主體與支架連接處最為危險，因此，在進行在線路軌測試的過程中，應采集的部位為橫梁立板上（圖2、圖3）。對于整車而言，為采集的科學合理和便于分析，系統應該被安放在首節車廂的首個動力轉向架上。

將與系統連接好的應變片緊貼在橫梁右端，在經過一天的應力消除期后，進行試驗。試驗所用的應變片通過一根4芯的屏蔽電纜與數采系統相連，連接方式采用半橋接法（如圖4），數采系統處理出來的數據通過線路連接至存儲與分析系統，并可以通過專用軟件進行顯示與處理。

為保證試驗數據的可靠性，試驗在一條鋪設好的景區觀光游覽線上進行，該條游覽線全長10.46km，適用于單軌的PC混凝土材料澆筑，線路的爬坡最大坡度為55‰，曲率最大段的曲線半徑正線為90m，站線為40m。試驗車輛運行的速度為標準速度，15km/h。

3.3 結果處理與分析

一般情況下，構件所受的每個應力循環均不一致，即不會出現相鄰兩個完全相同的波峰（或波谷），那么就不可能用相鄰的波峰和波谷來反映全部的信息。所以應該找到一種循環計數法來對應力循環進行相對完整的樣本記錄，以便獲取有用的循環載荷歷程，達到對構件的疲勞分析與壽命預測。基于統計學，循環計數法可分為單參數法和雙參數法。這兩種方法的主要區別在于分析考慮載荷循環中的一個還是兩個參數。由于單參數只考慮一個變量，不足以反映疲勞分析所需的全部信息，因此通常采用雙參數法。雙參數法的代表有極大-極小計數法、雨流計數法等。當前，用于疲勞分析的較為流行的方法是雨流計數法。

為便于實現載荷譜的獲取，采用MALTAB對測得的載荷譜進行提取。MALTAB是一款強大的數值分析軟件，其設計十分有利于數組的計算，因此特別適于雨流計數法的應用。本文也采用其以雨流計數法為基礎，運用MALTAB對隨機載荷譜進行計數。對列車運行中的載荷譜隨機取出一段曲線（圖5），進行標準化，然后用編寫的MATLAB程序進行處理。

在這里使用了一段列車運行中的歷時1000多秒的載荷譜，采用雨流計數法在MATLAB中的自編程序對于載荷的預處理。從圖6可以看到，經過預處理，所有有效的載荷循環皆被保留下來了，而長達300多秒的無效幅值被去除，這樣的處理為后面的程序快速運行打下了很好的基礎。

本文采用雨流計數法對載荷數據進行處理，提取得到了三個方向上的載荷譜，通過式1合成能夠得到Von-Mises應力。通過對轉向架構架的載荷譜進行應力值提取，可以得到列車測試點在不同工況下的應力值，如表1所示。

（1）

式中，分別為三個方向的主應力。

在這6種工況下，牽引制動工況所造成的轉向架構架的應力集中最為明顯，滿載靜止工況的應力集中最為不明顯。此外，在這些工況下的應力值均未超過材料的許用應力（340MPa），實測得到的最大應力為295.2MPa。同時通過對比兩種方法所得到的結果可看出，有限元的計算值與試驗值吻合較好最大偏差不超過3%，故認為數值模擬與現場試驗均較為合理，計算結果均具參考價值，適合作為后續疲勞壽命分析的的參考依據。

4 疲勞校核

一般來說，疲勞壽命的預測與疲勞分析只需要三大要素──載荷、幾何模型、材料屬性。通過將靜力學計算結果、材料的疲勞特性、現場實測的載荷譜輸入MSC.Fatigue軟件進行基于UIC-ORE準則的疲勞分析，便可以得到構架各處的壽命分布云圖，如圖7、8所示。

表2為危險節點的疲勞分析結果，可以看出表中最危險的節點為487485，對應著構架的橫梁立板。該節點長期循環2.587E5次即會出現破壞失效，參照列車的實際使用情況（按照單軌高架游覽車每天運行10次計算），將循環次數換算成相應的運營時間為70年，遠大于設計服役年限。

5 小結

為校核單軌高架游覽車轉向架構架的疲勞壽命，本文在對進行UIC-ORE標準簡要介紹的基礎上，進行了基于UIC-ORE標準的疲勞評估。為對真實條件下的轉向架受力過程進行了解，采用德國IMC devices數采系統對運行線路的車輛構架載荷譜進行測量，并通過對載荷譜進行處理，提取了有效的應力循環，最后利用簡化處理后的載荷譜采用MSC.Fatigue軟件進行了疲勞校核，計算結果表明該轉向架的疲勞強度滿足要求。

參考文獻：

[1]朱興高.跨座式單軌車輛轉向架結構分析[D].重慶交通大學， 2011.

[2]霍立興.焊接結構的斷裂行為及評定[M].機械工業出版社， 2000.

[3]胡方陽.基于譜載荷地鐵動力轉向架構架疲勞強度研究[D].西南交通大學，2011.

[4] Fendrich L.UIC/ORE EXPERIENCE IN MEASURING AND ASSESSING TRACK FATIGUE AS A CONSEQUENCE OF INCREASING AXLE LOADS[C].The Workshop on Heavy Axle Loads.1990.

[5]米彩盈，李芾.焊接轉向架構架疲勞強度評定的工程方法[J]. 鐵道機車與動車，2002（06）：11-14.

[6]楊亮亮，張尚敬，傅茂海等.基于隨機載荷譜的構架疲勞強度研究[J].鐵道機車車輛，2013，33（02）：21-25.

作者簡介：李偉（1982-），男，湖南常德人，本科，工程師，研究方向： 機械制造及其自動化、模具及裝備。